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　　近日，光量子計算和大尺度光量子信息處理兩項成果雙雙入選中國科學(xué)院“率先行動”計劃第一階段59項重大科技成果及標(biāo)志性進(jìn)展。

　　8月16日，世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”迎來4歲生日。在距離地球500公里的軌道上，這顆超期服役2年的“老”衛(wèi)星仍然捷報頻傳。

　　6月15日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉領(lǐng)銜的合作團(tuán)隊在《自然》發(fā)表論文，在國際上首次實現(xiàn)了基于糾纏的無中繼千公里級量子保密通信。這也是“墨子號”4年間產(chǎn)生的第5篇《自然》《科學(xué)》論文。

　　隨著一項項科學(xué)實驗的成功，衛(wèi)星量子通信的應(yīng)用前景日益清晰。

　　戰(zhàn)略布局占先機

　　7月23日，美國能源部公布報告，規(guī)劃了美國“量子互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略藍(lán)圖。歐盟早在2016年也提出過“歐洲量子技術(shù)旗艦計劃”，打算用10年建成量子互聯(lián)網(wǎng)。

　　可喜的是，我國在這一領(lǐng)域，相關(guān)基礎(chǔ)研究和工程技術(shù)水平都處于國際引領(lǐng)地位。

　　今年3月，我國科學(xué)家剛剛創(chuàng)造了光纖量子通信509公里的新紀(jì)錄。同時，“墨子號”保持著星地之間1200公里量子通信的世界紀(jì)錄。“墨子號”和“京滬干線”的成功實施，構(gòu)建了國際首個天地一體的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形。

　　之所以能“起個大早、趕個早集”，得益于潘建偉的戰(zhàn)略眼光與布局。

　　量子科技研究主要集中在量子通信、量子計算和量子精密測量等領(lǐng)域，有多光子糾纏、光量子計算、超冷原子量子模擬、光晶格量子模擬、量子中繼器等諸多方向。這么多學(xué)科方向，一個人不可能包打天下。從單槍匹馬到帶領(lǐng)一支近百人的團(tuán)隊，潘建偉用了10多年時間。

　　本世紀(jì)初，量子科技在中國還頗為冷門。潘建偉也面臨著學(xué)科方向不被理解、申請經(jīng)費四處碰壁的困境。在人手緊缺的情況下，他卻果斷地把優(yōu)秀學(xué)生紛紛送走。德國海德堡大學(xué)、奧地利因斯布魯克大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)、英國劍橋大學(xué)、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)……這些量子科學(xué)和技術(shù)頂尖團(tuán)隊所在地，都留下了潘建偉弟子學(xué)習(xí)的身影。如今，各研究室獨當(dāng)一面的負(fù)責(zé)人正是當(dāng)年那些漂流四海的年輕人。

　　“墨子號”量子糾纏源分系統(tǒng)主任設(shè)計師印娟的成長路線卻略有不同。2002年，大二結(jié)束的暑假，印娟來到潘建偉實驗室，成為實驗室第一位女生，從此再沒有離開。2017年，“墨子號”千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)實驗成功，以封面論文的形式發(fā)表在《科學(xué)》，印娟成為團(tuán)隊里第一個同時擁有《自然》和《科學(xué)》第一作者身份的科學(xué)家。

　　善于布局，也安心等待。這樣的一支團(tuán)隊，一出手就是“大”成果不足為奇。

　　敢想敢干出奇跡

　　“墨子號”科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)主任設(shè)計師任繼剛，至今仍清楚地記得讀博時第一次聽潘建偉作報告的情景?！疤衿媪耍拖衤犚粋€科幻故事?！彼貞浾f。

　　在場的很多人可能也跟任繼剛一樣，把量子科技當(dāng)成科幻故事。而作報告的那個人卻是認(rèn)真的。

　　2003年，潘建偉陷入量子通信研究瓶頸。由于光子在光纖傳輸時損耗太大，傳輸100公里只剩下1%的信號到達(dá)接收端。而外太空因為幾乎真空，光信號損耗非常小，潘建偉破天荒地提出了“上天”這個“大膽且瘋狂”的方案。

　　當(dāng)時，他向博士生彭承志科普量子通信的發(fā)展前景，當(dāng)說到需要通過太空實現(xiàn)長距離傳輸時，彭承志認(rèn)為“這是一個遙不可及的夢想”。他問潘建偉：“這個事，是不是挺牛的？”潘建偉想了想，很肯定地回答：“肯定牛，是世界上最牛的，至少是之一。”

　　帶著這樣的信念，他們在合肥大蜀山山頂開始了第一個實驗，于2005年實現(xiàn)了13公里的量子糾纏分發(fā)。這個傳輸距離超過了大氣層的等效厚度，從而證實了遠(yuǎn)距離自由空間量子通信的可行性。

　　2009年，團(tuán)隊在青海湖開展百公里量子糾纏分發(fā)實驗。當(dāng)時，團(tuán)隊里的3位主力——2007年博士畢業(yè)的任繼剛、2009年博士畢業(yè)的印娟、2010年將要博士畢業(yè)的廖勝凱，后來分別成為“墨子號”3個分系統(tǒng)主任設(shè)計師。

　　島上通信信號極差，幾位年輕人沒什么消遣，晚上做實驗，白天借著搭建的無線網(wǎng)橋開例會。2012年，團(tuán)隊在國際上首次實現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。

　　2017年，利用“墨子號”，他們將量子糾纏分發(fā)的距離再提高一個量級，達(dá)到1200公里。

　　從大蜀山的13公里到天地間的上千公里，潘建偉團(tuán)隊一步一個腳印，從無到有地驗證了量子通信的可行性。

　　“率先行動”很給力

　　中國科學(xué)院院士、科技部原部長徐冠華曾公開指出，我國對自身科學(xué)研究能力不自信，“在科技項目的確定過程中，習(xí)慣于拒絕支持有爭議的項目，排斥沒有國外先例的研究”。

　　當(dāng)年的潘建偉，面對的就是這樣的窘境。

　　2003年，潘建偉首次提出利用衛(wèi)星實現(xiàn)自由空間量子通信的構(gòu)想。這個“前無古人、聞所未聞”的想法立即遭到多方質(zhì)疑：量子信息科學(xué)，歐洲美國都剛剛起步，我們?yōu)槭裁船F(xiàn)在要做？

　　這個“不靠譜”的計劃卻獲得了中國科學(xué)院的支持。2011年底，中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項正式立項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”，自此打開了量子世界的大門。

　　2014年，中國科學(xué)院啟動實施“率先行動”計劃，給“墨子號”研制團(tuán)隊帶來了“集團(tuán)軍”的支持。當(dāng)年10月，中國科學(xué)院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心率先成立，2017年5月更名為量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院。這使得中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)同中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所等都有了更加緊密的合作關(guān)系。

　　中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員、量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程常務(wù)副總師王建宇曾比喻稱：星地間量子糾纏分發(fā)的難度，就像在太空中往地面的一個存錢罐里扔硬幣，而且天空中的“投擲者”相對地面上的“存錢罐”還在高速運動。

　　在“率先行動”計劃的支持下，這樣一項看似“不可能的任務(wù)”最終順利完成?！拔覀兊暮献黧w現(xiàn)出了創(chuàng)新研究院的價值，那就是集中力量干大事。”潘建偉說。

　　中國科學(xué)院院長、黨組書記白春禮評價稱，“墨子號”為中國在國際上搶占了量子科技創(chuàng)新制高點，成為了國際同行的標(biāo)桿，實現(xiàn)了“領(lǐng)跑者”的轉(zhuǎn)變。

　　天時、地利、人和，量子團(tuán)隊的下一個“驚喜”也許很快就會到來。

　　（原載于《中國科學(xué)報》 2020-09-10 第1版 要聞）