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他培养出数位“操纵光子的巫师”,从三光子到十光子,一路保持世界领先,将“量子纠缠”进行到底；他将“量子隐形传态”从科幻世界带进现实,实现距离和维度的多次跨越.正是借助这些基础特性,量子保密通信正在中国率先从梦想王国迈入产业化轨道；量子计算机和量子精密测量的基础研究,也日益成为大国“必争之地”.
“朝圣”之路
2016年1月8日,人民大会堂.潘建伟接过半个上身大的红皮证书——“最具含金量”的国家自然科学奖一等奖,颁给“多光子纠缠和干涉度量学”.41岁成为“最年轻中科院院士”的他,以45岁之龄,领衔中科大微尺度物质科学国家实验室五人团队,刷新中国自然科学领域最高奖的“最年轻获奖者”纪录.
彭承志、陈增兵和他一样是“70后”.位列项目第三、第四完成人的陈宇翱、陆朝阳则是“80后”,两人都曾是潘建伟在中科大带的研究生,获奖当年分别是34岁和33岁,五年前便入选首批“青年千人计划”,成为教授.师徒三人先后于2005、2013、2017年斩获欧洲物理学会菲涅尔奖.该奖每两年颁一次,作为量子电子学和量子光学领域青年科学家的最高荣誉,专门奖励35岁以下的佼佼者.
量子具有叠加状态,纠缠现象是它的基本特性,即使相距遥远,一个粒子的行为也会影响另一个的状态.通过量子纠缠,无需传输载体,就可实现量子远距离隐形传态.自诞生以来,量子力学素有“男孩物理学”的戏称.爱因斯坦1905年提出光量子假说,26岁；玻尔1913年提出原子结构理论,28岁；海森堡1925年创立矩阵力学,1927年提出测不准原理,是24岁到26岁.量子力学奠基人之一波恩在哥廷根的理论班,被人叫作“波恩幼儿园”. 获奖两天后,“潘之队”五人排排坐,在中科大上海研究院会议室,接受媒体集体采访.回忆这一幕,陆朝阳笑说：“有几个记者非要采访,问了一堆问题,我们坐成一排都不说话,看着潘老师,有他在我们就可以偷懒一点.”
就在这次对话中,潘建伟第一次提出,要把实验室开成“百年老店”——就像科学史上如雷贯耳的德国马普所、英国卡文迪许实验室.陈宇翱和陆朝阳正是被推荐到这两个实验室培养,然后归国.
距今二十多年前,27岁的潘建伟负笈千里外的奥地利小城因斯布鲁克,与导师塞林格共同在国际上首次实现单光子自旋态的量子隐形传输,这成为量子信息实验领域的开山之作.理论物理出身的他,在选择导师时独具慧眼,从零起步转向实验物理.很多年后,他所在的这个学科已经走出三个诺贝尔奖和五个沃尔夫奖获得者,沃尔夫奖历来被视为诺贝尔奖的风向标.在这里,潘建伟很快展现出实验天赋,独立想出了量子隐形传态的理论方案.
1998年寒假前夕,潘建伟回到母校东阳中学做科普报告,介绍国际最新的量子物理实验结果,陆朝阳就是坐在台下的高一学生.2000年陆朝阳考入中科大物理系,大三时再次听到潘建伟的报告,课本上“有点诡异”的量子理论,由他娓娓道来,听上去那么“质朴、真实”.一次畅谈,让陆朝阳决定转投潘建伟门下,放弃保研“感觉比较赚钱的”微电子专业.
“潘老师一直给我们消除‘差不多就行了’这类心态.”陆朝阳说：“他鼓励学生,花10倍的时间做一件重要的事,比一倍时间做10件不重要的事情要好得多.”2015年,他们打破国际权威学者的“不可能”预言,实现了单光子多自由度的量子隐形传态,作为中国本土完成的科学成果首次入选英国物理学会评选的国际物理学十大年度突破且位居榜首.这距离塞林格实验室的“单自由度”实验,已经过去18年.次年,陆朝阳入选《自然》十大“中国科学之星”,塞林格评价他为“操纵光子的巫师”.
2003年到2008年间,中科大同意潘建伟的特殊“申请”——赴德国海德堡大学学习量子存储技术.在他的布局下,一批学生陆续被推荐到国外各顶尖实验室：陈宇翱到德国慕尼黑研究超冷原子调控技术,陆朝阳到英国剑桥研究量子点光源技术,张强到斯坦福学习单光子探测技术……光量子和超冷原子,正是潘建伟当时选定的量子模拟两大重要方向之一,此后为了赶超美国具有先发优势的超导量子计算方向,站在国家布局高度,他又找到中科院物理所和浙江大学联合开发该方向项目.
今年32岁的徐飞虎,是潘建伟团队最新引进的“青年千人”,他在麻省理工学院博后时期所做的单光子成像研究,是量子精密测量领域近三四年才起步的前沿技术,这正是潘建伟看中的.“潘老师团队的量子通信实验室在国际上是最好的,没有之一.平台可以互补、技术共享,这是最吸引我的.”正式加盟前,潘建伟与他聊了数次,从国家需求战略角度出发,5年的目标、10年的目标一一描画,期望便是成为该领域国际一流的研究组.
“当时,如果我在国外仅掌握一项技术,我觉得回国可能什么都干不成.我说咱们做一个约定,大家把几个技术全学会,然后在适当的时候一起回来,一起合起来做一点别人、别的团队做不了的事情.”就在去年“未来科学大奖”的颁奖现场,潘建伟在领奖致辞中,还特别感谢了这几位在座的同事.
如梦之梦
早在2002年,实验室刚组建不久,潘建伟就有了量子卫星的宏伟设想.当时连部分团队成员也不敢相信,网上多的是“天方夜谭”“骗局”的质疑.星地之间大部分路程接近真空,光子的损耗率要比在地面光纤中小得多,理论上将是构建实用化全球量子保密通信网络最可行的方案.但潘建伟自己在接受外媒采访时也曾吐露过难处：“我们有时候想,也许我们的项目将会崩溃,从不工作.卫星飞得那么快（每秒8公里）,并会遇到大气湍流等问题——如此的单光子光束会受到严重影响.此外,我们必须克服来自太阳光、月球和城市光的噪声,这是比我们的单光子强得多的背景噪音.”
量子卫星纠缠源系统主任设计师印娟从大二就加入团队,一直在自由空间量子通信小组,她还记得2007年博士毕业时接受采访,说到自己的梦想是把“纠缠源”放到天上去做实验,根本不敢想象只过了10年就把事做成了.
量子卫星能够成功立项,全靠一步步“自我证明”：2005年,合肥大蜀山实现13公里的量子纠缠分发；2008年,北京八达岭实现16公里量子隐形传态；2011年,青海湖实现了首个超过100公里的量子纠缠分发.至此,全方位卫星技术论证完毕,当年年底,中科院空间科学先导专项将“量子科学实验卫星”正式立项.
2016年8月16日,“墨子号”成功发射升空.就在卫星出厂前,一个激光器被发现功率下降,团队成员花了二十多天,没日没夜,在总装车间论证、拆验、重装,发射时间因此不得不推迟一个月.潘建伟后来回忆,卫星发射前,无神论者如他,也紧张到双手合十,忍不住暗暗祈祷老天保佑.
2017年5月,利用自主发展起来的高性能单光子源,“潘之队”在国际上率先实现了超越人类历史上第一台电子管和晶体管计算机的量子计算原型机.而隔壁实验室里,一台约50个量子比特的超导量子计算机有望在三年左右研制出来,它将在特定问题上超越目前最强大的超级计算机,实现“量子称霸”.实验室里,制冷机的“滴滴”声从研究人员耳边掠过,匀速而平缓,仿佛通向万籁静寂的永恒.9月,世界上首次洲际量子通信在北京和维也纳进行,视频通过量子卫星密钥分发进行了加密.潘建伟和塞林格分处两地的视频会议现场.
“从爱因斯坦提出引力波的概念到探测到引力波,用了整整100年时间.我们希望,同样是在爱因斯坦提出量子纠缠的概念后的100年内,我们将最终实现对量子力学非定域性的终极检验.”年底的复旦科技创新论坛上,与发现引力波的三位诺奖得主同台,潘建伟在学术报告末尾这样说道.万一答案是否定的？谁知道呢,或许会是物理学的全新篇章.
（摘自《南方人物周刊》竹沁）□
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