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从未停止的“纠缠”

来源:中国科普网 作者: 2018年11月23日
[导读]  不懈地与量子纠缠,潘建伟团队于2016年1月8日以“多光子纠缠及干涉度量”研究成果,问鼎国家自然科学奖一等奖。

从未停止的“纠缠”
——访2015年度国家自然科学奖一等奖获得者潘建伟院士
  不懈地与量子纠缠,潘建伟团队于2016年1月8日以“多光子纠缠及干涉度量”研究成果,问鼎国家自然科学奖一等奖。

  2001年,潘建伟回到中国科学技术大学建立实验室。一路走来,他和团队一起在量子信息领域取得了多次重大突破,先后六次获得英国物理学会、美国物理学会评选的年度国际物理学重大突破等荣誉。

  科技进入20世纪,随着计算能力提高,难题来了:曾经坚不可摧的密码在窃听与黑客攻击下面临越来越大的隐患。

  “突破信息安全的瓶颈对于保护公民和国家机密资源至关重要。”潘建伟把目光投向了量子通信。

  量子通信是目前被严格证明的最安全通信方式,但其实现难度超乎想象。经过多年努力,2007年,潘建伟团队利用诱骗态方法,在国际上首次实现安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发,开启了量子通信技术实用化大门。

  但新问题又随之而来。城市中光纤资源丰富,利用光纤来实现量子通信固然是最有效的途径。但光纤有不可避免的损耗,随着距离增加,光子几乎全部被吸收。这意味着仅靠光纤,量子通信只能停留在短距离应用上。

  潘建伟很早就意识到这一点,在发展光纤量子通信技术的同时,开展自由空间中的量子通信研究。2005年,潘建伟团队发表了题为“13公里自由空间纠缠光子分发:朝向基于人造卫星的全球化量子通信”的论文,证明当纠缠光子分发经过相当于整个竖直大气层后,其纠缠特性仍能保持,向世人宣告通过卫星实现全球化量子通信成为可能。此后,他们的一系列突破,为最终实现星地量子通信奠定了坚实基础。

  在国家发改委支持下,项目组开始筹建“京沪干线”,预计2016年底建成连接北京和上海的千公里级广域光纤量子通信网络;首颗“量子科学实验卫星”将于2016年发射,以初步构建我国“天地一体”的广域量子通信体系。未来的量子通信,在原理上完全保密,不能被窃听,将在国防、政务、金融等领域会有非常重要的应用。

  对纠缠态的研究,可为将来高速度的量子计算机打下基础。“求解一个包含1024个变量的方程组,利用目前最快的天河2号超级计算机要100年,而利用工作频率比天河2号还要慢一万倍的量子计算机,只要0.01秒。”潘建伟说。

  在潘建伟团队组建之初,国际上对多光子纠缠实验制备和操纵几乎空白。为了攻克这一世界性难题,潘建伟项目组与之纠缠了近十年。2003年,团队终于实现四光子纠缠态,此后一直保持着纠缠光子数目的世界纪录。团队基于多光子纠缠操纵技术,在国际上率先实现了绍尔算法、拓扑量子纠错、快速求解线性方程组算法、量子机器学习等几乎所有重要量子算法的验证。在未来10到15年,在某些特定问题处理方面将具备超越目前最快的超级计算机的能力。

  与量子的纠缠,是一场接力长跑。“要让实验室成为百年老店,需要不同学科背景的年轻人才。”在潘建伟回国之初,国内量子信息领域人才储备极为薄弱。他一面招收研究生和博士后,一面选派学生到国际先进小组学习,实现人才和技术的积累和储备。

  如今,以彭承志、陈宇翱、陆朝阳等为代表的青年学者组成了强大的研究团队。英国《自然》杂志指出:“这标志着中国在量子通信领域的崛起,从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美。”

  潘建伟下一步的科研路线:“要通过量子通信研究,实现天地一体的全球范围量子通信网络;通过量子计算研究,实现大数据时代信息的有效挖掘,揭示高温超导、高效人工固氮等复杂物理体系的规律;通过量子精密测量研究,实现新一代自主导航、医学检验、引力波探测。”

  他与量子的纠缠仍在继续。

  (原载于《科技日报》 2016-01-09 03版)

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