http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-05-31
潘建伟：在量子世界里放飞梦想
本报记者 吴长锋
■科星灿烂
近日，中国科学技术大学潘建伟教授的研究小组，采用光子级联编码的方式，实现了对于任意噪声都具有高容错率的薛定谔猫态，朝着实现大尺度量子网络乃至宏观纠缠态迈出了重要一步。
1970年出生的潘建伟，是2011年度新增院士中最年轻的一位。1997年以来，他和他的团队在《自然》及《自然》子刊、《美国国家科学院院刊》、《物理评论快报》等国际权威学术期刊上发表学术论文90余篇，被引用10000余次。
量子世界如此令人着迷
潘建伟选择物理，完全出于兴趣爱好。1987年高考的时候，他本有机会被保送到浙江大学读当时的热门专业。“如果接受保送，可能就无法继续我的物理梦了。”潘建伟考入中国科大近代物理系。
“牛顿力学将一切归结为机械运动，既然一切都已注定，那人活着还有什么意义呢？量子理论以鬼魅般的阵列运行、以实物的形式到达和离开，这太神奇了！从此发现一切变得自然而有意义。”潘建伟说，“量子力学是一种积极向上的科学，令人着迷，又催人奋进。如果一个人是处在‘成功’和‘失败’的迭加态上，那么个人奋斗会使得他朝着成功几率较大的状态演化。”
1996年，在中国科大获得理论物理硕士学位后，潘建伟投入奥地利维也纳大学蔡林格教授门下攻读博士学位。彼时，导师正组织量子信息实验研究方面第一个国际合作项目。此前，量子信息一直处在理论研究阶段，还没有实验支撑。
而潘建伟脑子里也正酝酿着一个实验方案。一个月后，他觉得方案成熟了，便兴奋地在组里报告他的设想。然而，报告结束后全组没一个人说话。好半天，蔡林格教授问：“潘，你不知道这就是量子态隐形传输的理论方案吗？你不知道我们另一个小组正在做这个实验吗？”
潘建伟确实不知道，但他认为这是上天在眷顾他。他坚定地对导师说：“我要加入这个实验！”
1997年，题为“实验量子隐形传态”的研究论文在《自然》杂志上发表。该成果被公认为量子信息实验领域的开山之作，被欧洲物理学会和美国物理学会评为世界物理学年度重大进展，被美国《科学》杂志评为年度全球十大科技进展，还被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”之一，而作为论文的第二作者潘建伟，这一年刚刚27岁。
必须把别人的看家本领学到手
2001年，潘建伟回到中国科大工作。当时无论是研究水平还是人才储备方面，国内的基础都很薄弱。潘建伟在与他的同学杨涛教授一道组织科研队伍、开展实验室建设的同时，还继续在维也纳大学从事多光子纠缠方面的合作研究。国内研究组成果出得很快，仅2003年一年，作为第一单位发表在《物理评论快报》的论文就有7篇。
2004年，潘建伟研究组在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输，《自然》杂志发表了这一成果，并称赞说，尽管五粒子纠缠的实现非常困难，但是中国科学技术大学的潘建伟教授和他的同事们完成了这一壮举。这种新颖的量子态隐形传输是量子纠错和分布式量子信息处理所需要的关键技术。这一成果同时入选欧洲物理学会和美国物理学会评选出的年度国际物理学重大进展。这对中国科学家来说是第一次。
“很自豪！这表明国内研究组在量子纠缠方面的工作已经成功跃居国际领先水平。”潘建伟说，“我可以离开维也纳了。”
此后，潘建伟以玛丽·居里讲席教授的身份到德国海德堡大学从事量子存储的合作研究。潘建伟说：“海德堡大学的冷原子研究处于国际领先地位，我们必须把别人的看家本领学到手。”
几年下来，潘建伟团队在冷原子量子存储方面形成了丰富的人才和技术积累，取得了一系列国际领先的研究成果。2008年，《自然》杂志发表了潘建伟和他的同事完成的题为“量子中继器实验实现”的研究成果。《自然》杂志称赞该工作“扫除了量子通信中的一大绊脚石”。
打造国际一流科研团队
回国后，潘建伟致力于将不同学科背景的年轻人送出国门，到德国、英国、美国、瑞士、奥地利等量子信息研究的优秀国际小组加以锻炼。这些被“放飞”国外多年的年轻人，如同风筝收线一般，悉数回国，使科大团队得到了空前的壮大。
“我们已经是一个有国际影响力的团队，他们在这里大有用武之地。”潘建伟领导的中国科大合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部可谓人才济济，光是“青年千人计划”教授、“百人计划”教授就有十来个。
潘建伟带领研究团队取得了多个令人惊羡的“第一”：实验实现了16公里自由空间量子态隐形传输，创造了当时量子态隐形传输距离的世界纪录，证明了基于自由空间进行远距离量子通信的可行性；在国际上首次实验实现了八光子薛定谔猫态，刷新了由潘建伟团队保持的多光子纠缠态制备的世界纪录；利用八光子纠缠态，在国际上首次实验实现了拓扑量子纠错，是量子信息领域以中国为第一单位发表在《自然》杂志上的首篇长文，被审稿人称为“一个艰苦卓绝的英雄主义的量子光学实验”；在国际上首次实验实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，通过地基实验证明了实现基于量子卫星的全球量子通信网络和开展大尺度基本物理问题实验检验的可行性，《自然》审稿人称为“另一个英雄的实验工作”…… “在光量子纠缠操纵和量子通信方面，我们走到了领跑的位置。”潘建伟说。
2012年8月，潘建伟被国际量子通信、测量与计算学会授予2012年度国际量子通信奖，表彰其“在量子通信和多光子纠缠操纵方面的先驱性贡献”。他是获得这一荣誉的首位华人物理学家。
让量子世界造福人间
量子通信技术应用基础研究和应用研究关乎国家信息安全战略。2009年4月，潘建伟团队在合肥市建立了世界上首个多节点的全通型光量子电话网，并在60周年国庆阅兵期间为天安门城楼、中南海等关键地点之间构建了“量子通信热线”，用于重要信息传送保障。
2012年，潘建伟团队完成了包括几十个节点的合肥城区量子通信网络示范工程，规模远远超过国际上已有的量子通信网络，并在合肥市得以应用，标志着大容量的量子通信网络技术已经取得了关键性突破。同年，该团队与新华社合作建设的“金融信息量子通信验证网”开通，在世界上首次实现了利用量子通信网络对金融信息的安全传输。同年11月，该团队研制的“基于量子通信的高安全通信保障系统”投入运行，为“十八大”等国家重要政治活动提供信息安全保障。
2013年，潘建伟团队实现了“测量器件无关的”量子通信，从而解决了单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患，大大提高了现实量子密钥分发系统的安全性。该成果被美国物理学会《物理》杂志评选为年度国际物理学重大进展。
在国家发改委的支持下，中科院联合相关部门启动了千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”项目，潘建伟出任该项目首席科学家。2016年前后，将建成连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络。
“量子保密通信在城域网上的使用已经基本成熟，快则两三年，慢则三五年，就可以推广。”潘建伟团队牵头组织了“量子科学实验卫星”中科院战略性先导科技专项，预计在2015年到2016年间发射卫星。《自然》杂志新闻特稿中这样写道，中国将领先欧洲和北美，发射一颗量子科学实验卫星。这将为物理学家提供一个测试量子理论基础以及探索如何融合量子理论与爱因斯坦广义相对论的全新平台。
[科学网-科技日报]
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量子计算机：未来的计算革命
■本报见习记者 赵广立
连日来，加拿大D-Wave系统公司一台自命为“商用量子计算机”的“D-WaveⅡ”量子模拟实验机颇为引人瞩目。原来，为了一睹“D-WaveⅡ”量子计算机的真容，来自世界各地实验室的科学家们纷纷抛出实验方案验证“D-WaveⅡ”的性能，并让它与传统超级计算机进行对比。
在对比实验中，有科学家注意到，D-Wave量子计算机在运算中量子效应持续时间只有几十亿分之一秒。中国科学院院士、量子信息重点实验室主任郭光灿在接受《中国科学报》记者采访时说，量子效应持续时间极短，从一个侧面说明D-Wave并不是一台真正的量子计算机，因为它“没有体现出量子计算机并行运算的优势”。
中科院物理研究所研究员刘伍明在接受《中国科学报》记者采访时则表示，虽然不排除D-Wave作为商业公司有吸引眼球之虞，但仍可以看出D-Wave正在量子计算机的道路上作着大胆的尝试，这值得我们借鉴。
实际上，D-Wave公司“商用量子计算机”从落地那刻起就注定饱受科学家和媒体的热切关注。人们不敢相信：量子计算机时代已经到来了？
量子计算机的变革
郭光灿告诉记者，在量子世界，量子密码是第一个可能走向应用的方向，而对人类影响最大的当属量子计算机。
“在后摩尔定律时代，晶体管里面的电子数目越来越少，达到极限之后电子的行为就不能再用摩尔定律解释了，变成量子行为了。”郭光灿指出，从经典比特到量子比特，人类沿着这条路发展下去，将会“邂逅”量子芯片——“量子芯片构成的计算机体系就是量子计算机”。
刘伍明也指出，经典计算机正遇到摩尔定律的极限，而顶破天花板的正是量子计算。“比如搜救失联的马航客机，并不是我们海空军搜救能力不强，它挑战了人类现阶段的能力。如果我们有一台强大到足以处理所有海面数据和航行数据的计算机，找到MH370并非难事。”
“传统计算机对数据的处理是串行计算，而量子计算机是并行运行，运算速度呈指数上升，这是量子计算机最显著的特征。”郭光灿告诉记者，并行运行有多快？“量子计算机之于传统电子计算机的速度，就相当于电子计算机之于算盘。” “量子计算机可以做到现在经典计算机做不到的很多事情。”郭光灿说，人类一旦制造出量子计算机，整个社会就会发生翻天覆地的变化。
郭光灿举例说：“比如，我们可以把某种病毒体内的各种成分分析得清清楚楚，这样我们就可以制造针对性很强的药物（对付病毒）；还可以在大量数据中分析出特定信息，比如某个罪犯身上的某个特点，在茫茫人海中筛选和搜寻，利用量子计算机，很快就能锁定目标。”
刘伍明告诉记者，不见得量子计算机一定会取代经典计算机，但人们的确可以利用量子计算机完成现阶段不可能完成的任务。
“比如我们现在还不能预报地震，这其中的原因可能是有些科学问题在地震学上还没有解决，但至少在数据处理上，例如汶川，如果投放几百上千甚至更多地震观测站，在很短时间内根据观测信息计算出地震的概率，就能给决策层提供一些线索。天气预报也如此，我们只知道某地预计有雨雪，但我们并不确切知道是在何时、何地变天，精细预报就需要这种计算能力上的突破。”刘伍明说。
还差一“芯”
量子计算机的前景固然光明，但要真正实现量子计算，还要解决一系列的现实困境。
要真正做出来量子计算机，需要满足三个基本条件：量子芯片、量子编码和量子算法，它们分别是实现量子计算的物理系统（即硬件）、确保计算可靠性的处理系统和提高运算速度的关键（即软件）。
量子计算本质性地利用了量子力学的特性，因此其实际应用的重要障碍是宏观环境不可避免地破坏量子相干性（即所谓消相干问题），使量子计算机演变成经典计算机。若不能有效地克服消相干，即使量子芯片（硬件）做成了，量子计算机也无法实际应用。
“目前算法已经有了大数分解的Shor算法和数据搜索的Grover算法，当然以后还会有更多；编码也很重要，它保障信息不会被破坏而出错，这一度很困扰我们，但是现在我们把这个问题解决了。”郭光灿表示，在量子编码出现以后，量子计算机的实现原则上已不存在不可逾越的困难，但量子芯片的突破尚有待时日。
“量子计算机首先要有硬件，新一代的D-WaveⅡ号称有512个Qubit集成计算，据说采用的是超导量子比特方案。超导需要在极低温下实现，那么能不能开发出新材料，比如高温超导材料，像现在的半导体芯片一样在室温下就能使用？这需要一个探索过程。”刘伍明介绍说，目前中科院物理所也在超导材料上作积极尝试。
“用什么东西做量子芯片，做到什么程度？我认为有1000~5000个量子处理器的芯片，电子计算机就望尘莫及了。”郭光灿说，但是要做到这个地步还很远，所以现在人们用很多办法来尝试，“现在比较看好的是离子阱方案、半导体量子点方案和超导的方案”。
郭光灿介绍说，离子阱方案是用一个离子做处理器，然后把很多离子放在“阱”里面，把受限离子的基态和激发态这样一个两能级体系作为量子比特。该方案可以达到很高的保真度，不过其微型化和集成化存在巨大的困难。
半导体量子点方案是一种“很自然”的方案，当每个晶体管最终缩小到只容纳一个电子时，称之为单电子晶体管（量子点），此时可以用单个电子的自旋向上和向下态作为量子比特。郭光灿说，“半导体量子点芯片这一方案的优势在于完全继承了现代微电子产业的技术和优势，因而在大规模集成化和最终应用方面可行性更高”。
“但是要在纳米领域操作一个电子的量子态很难，而要把量子态测量出来而不干扰（电子的量子态），更难。”郭光灿说，不仅如此，“后续还要把这些仪器做到芯片里去，谈何容易？这是它的难度所在。”
未来战略制高点
国际芯片巨头Intel公司曾在其处理器外包装上打出这样的字眼：Intel Core Quantum：Qubit Entangled，暗示“未来半导体芯片的核心将是量子芯片”。
“美国曾计划在10年之内做出10个量子比特的处理器芯片，这意味着届时微电子平台做量子芯片已经靠谱了。”郭光灿说，不仅美国，许多发达国家都意图在量子计算机技术上抢占制高点。
刘伍明告诉记者，日本等国也加大了这方面的投入，不仅政府层面，一些大公司也在介入，例如日本著名的NEC株式会社。另外，微软、IBM、贝尔实验室在量子计算机方面也都有大手笔投入。
“公司出资意味着，他们将之视为投资行为。他们会觉得这是能够盈利的，而我国企业在高科技投入方面还比较少。”刘伍明说。
现实的情况是，由于我国在传统计算机芯片方面长期落后，缺乏自主知识产权，计算机芯片主要依赖进口，目前已位列所有进口产品的第一位，受制于人。
“在后摩尔时代量子计算来临的新的历史机遇面前，我们必须掌握核‘芯’技术，在未来的量子计算时代拥有中国‘芯’，从现在起就应该做好原始创新性、基础性工作。”郭光灿说。
《中国科学报》 (2014-04-04 第13版 科普周刊)
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