解密国家自然科学奖一等奖“潘之队”

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中国科学院院士潘建伟

2015年国家最高科技奖出现空缺,国家自然科学奖一等奖花落中国科大潘建伟团队的“多光子纠缠及干涉度量”

1月8日上午9时,正在人民大会堂召开的国家科技奖励大会传来消息,2015年国家最高科技奖再度出现空缺,同样一幕首次发生在11年前的2004年。

数天前与4位国家最高科技奖得主一起获得小行星命名的中国科学首个诺贝尔奖得主屠呦呦,无缘中国科技界的最高荣誉。

国家最高科学技术奖于2000年设立。每年获奖者不超过两名。迄今已有25位杰出科技工作者获此殊荣,他们的平均年龄超过80岁。

而国家自然科学奖一等奖去年出现很大争议,今年的评奖工作大家拭目以待,结果不错,来自中国科大的“多光子纠缠及干涉度量”研究摘得此奖,实至名归。

这是一个1997年开始,从追随到赶超的精彩故事。早在2012年12月,《自然》杂志在报道潘建伟团队时曾写道,“在量子通信领域,中国用了不到10年的时间,由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美。”

“我一直都知道他(潘建伟)会有一个精彩的职业,但是他的成功令人难以置信,我想这是任何人都没有预见到的。我为他感到骄傲。”三年前,奥地利维也纳大学物理学家Anton Zeilinger在接受《自然》杂志采访时说。

“建伟教授和他的合作者1997年最早开始从事量子态的隐形传输,这实际上是拉开了量子通信(研究)的一个序幕。回国以后他带领团队,不光是从量子通信,很快又扩展到了量子计算等等方面,所以把国家在量子通信、量子计算这十几年,从追随者很快的变成了一个引领者,这方面建伟和他的团队作出了很大的贡献。”2015年4月,在未来论坛的讲座上,北京大学物理学教授谢心澄这样评价潘建伟。

功到自然成。2016年1月8日,中国科学院院士潘建伟及其团队的“多光子纠缠及干涉度量”研究,获得中国科学技术领域的最高奖项——国家自然科学一等奖。

多光子纠缠干涉量度学是基于人类对于量子力学基本问题(如量子纠缠、非定域性)的深入研究和实验量子调控技术的巨大进步发展起来的新兴学科。

根据量子物理理论,人们可以通过对光子、原子等微观粒子的精确操纵,以一种变革性的方式对信息进行编码、调制和传输,在确保通信安全和提升计算速度等方面能够突破经典信息技术的瓶颈。所以,对于这些微观粒子纠缠的相干操纵是发展实用化量子信息和量子通信必须的技术准备。

基于这种思路,潘建伟和他的团队选择将光子作为研究和操纵对象,用了十几年的时间,极大地发展了多光子纠缠和干涉技术,并通过操纵光子,率先实现了量子信息处理关键方案(如量子隐形传态)和几乎所有的重要量子算法,继而系统地应用于量子通信、量子计算和量子精密测量等多个研究方向,不但奠定了广域量子通信和光学量子信息处理的科学基础,也将量子保密通信技术带入现实应用。

可以说,以潘建伟为代表的一批“领跑者”,通过发展多光子纠缠干涉量度学,引领和推动了我国的量子信息和量子通信研究的热潮,也奠定了我国在该领域极具特色的国际优势。

量子通信和量子信息,无论在国际还是国内,都算得上是年轻的前沿学科。对于潘建伟来说,从他作为博士研究生在导师 Anton Zeilinger教授的实验组首次实现光子的量子隐形传态算起,也仅仅过去了十八九个年头。

现如今,潘建伟已经带领自己的团队,率先完成了包括五、六、八光子纠缠、利用多光子操纵率先实现量子信息处理关键方案、全面发展了面向实用化保密量子通信的光量子传输方法等一系列先驱性的系统工作。

他领导的团队主要研究集中在量子通信、量子计算与模拟、量子精密测量三个方向。其中量子通信方面有量子保密通信骨干网工程“京沪干线”、“量子科学实验卫星”在研;在量子计算的基础性研究方面,多次刷新多光子纠缠制备世界纪录;在量子导航、生命科学等方面,推动运用高精度量子测量手段开展研究。

“我至今仍清晰地记得第一次见到Zeilinger教授时,他问我的梦想是什么,我回答说:’在中国建一个像您这样的世界领先的量子光学实验室’。” 在一篇回忆性的自述中,潘建伟写道。

1996年,潘建伟来到奥地利因斯布鲁克大学(University of Innsbruck),跟随奥地利物理学家Anton Zeilinger攻读实验物理学博士学位。

在此之前,潘建伟在中国科学技术大学完成物理本科教育,并取得理论物理硕士学位。在那里,潘建伟第一次接触到量子力学,了解到在微观世界里有很多奇特的现象。然而,随着研究的深入,潘建伟越发认识到,量子理论中的各种悬疑需要尖端的实验技术才能得以验证,而当时国内在这方面与国际先进水平相比还比较落后。

海外留学,中国物理专业的学生很自然的一个选择是到美国。事实上,很多学生开玩笑说,中国科学技术大学的首字母缩写“USTC”实际上代表的是“United States Training Center(美国训练中心)”。

那时,Anton Zeilinger在因斯布鲁克大学建立了自己的量子实验室,已经是量子物理领域的专家。他需要找人来验证自己的一些想法。就在此时,26岁的潘建伟来了。

“他刚来时,对实验室的工作一无所知,但是他很快就掌握了实验的规则,并开始设计自己的实验。”在《自然》杂志的采访中,Zeilinger说道。

1997年,刚刚进入Zeilinger实验室一年的潘建伟和同事完成了最为重要的一个实验,他们在国际上首次隐形传送一个光子的极化状态。

量子隐形传态(quantum teleportation)的概念由美国科学家C. H. Bennett在1993年提出,是一种由量子态携带信息的通信方式,利用光子等基本粒子的量子纠缠原理,将量子未知的一个状态传送到另外一个粒子上去。

量子力学中的“不可克隆定理”指出,未知量子状态首先不可克隆,被复制的原量子态会遭到破坏,我们并不能够制造出一个量子态完美的复制品,而只能将原量子态从一个粒子完全地传送到另一个粒子,随后第一个粒子将不再处于原量子态。

Zeilinger小组于1997年在实验上实现了基本粒子单一自由度的传输,但是对量子隐形传态来说,真正要传输一个微观粒子的状态,需要把一个微观粒子所有的性质都传过去。这是横亘在世界量子信息科学家面前的一个难题。后面我们知道,潘建伟和他的团队在2015年年初首次实现了单光子多自由度的量子隐形传态,打破了量子隐形传态长达18年的实验僵局。

1999年,潘建伟获得奥地利维也纳大学实验物理博士学位,随后在Zeilinger小组做博士后研究、高级研究员并担任联合PI。

2000年左右,国际量子计算和量子加密等前沿研究工作,已经吸引到中国科学院和国家自然科学基金委员会的注意。2001年,刚过而立之年的潘建伟回国开始组建自己的量子物理与量子信息实验室。

随后的十几年中,潘建伟在一步步地实现自己最初加入Zeilinger实验室时的梦想。

如果将潘建伟团队比作一支球队,潘建伟的角色就是主教练、总经理。他不仅要负责球员的训练,比赛的战略战术,还要眼观四路,耳听八方,负责球员的引进与对外合作。

科学家在组建自己的科研队伍初期,往往什么都没有,而且团队磨合需要的时间可能更长。幸运的是,潘建伟获得了中科院共计650万元的科研经费,为实验室启动打下基础。

潘建伟首先从亲自训练自己的学生开始。中国科学技术大学1998级少年班的陈宇翱是潘建伟回国后招收的第一个硕士研究生,他曾在第29届国际中学生物理奥赛获实验第一、总分第一。2003年,在潘建伟的指导下,陈宇翱搭建了世界上第一个五光子纠缠的实验平台。次年,潘建伟团队在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子隐形传态,《自然》杂志发表了这一成果。同年,这一成果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。

然而,踢好一场比赛需要不同位置的球员,实验室建设也需要多学科人才,光学、冷原子物理、电子学、真空等缺一不可。潘建伟知道,学习国外顶尖实验室的先进技术,是快速提升实验室实力的最好办法。

“潘老师根据每个人的研究专长,尽可能地将我们分派到全球各个顶级的量子研究中心,掌握最新研究成果,因此团队中的每个人都各司其职,各有所长。”中国科学技术大学教授、英国剑桥大学物理学博士陆朝阳接受媒体采访时表示。1982年出生的陆朝阳是潘建伟团队的青年骨干,2004年从中国科学技术大学本科毕业之后,陆朝阳开始师从潘建伟开展光子纠缠和量子计算方面的研究,曾获中科院青年科学家国际合作伙伴奖(2014)、求是杰出青年学者奖(2014)。

在潘建伟的推荐下,组里的学生们分赴英国、美国、瑞士、奥地利等高水平国际小组中接触不同的学科,比如陈宇翱在2004年赴德国海德堡大学学习冷原子量子调控,陆朝阳则在2008年到剑桥大学卡文迪实验室学习基于半导体量子点的固态体系量子调控技术。此外,在国外学习或工作的张强、陈凯、赵博和邓友金等人也由于各自在单光子探测器、光量子通信、原子系综、统计物理理论等方面表现出的能力被潘建伟“相中”,展开合作,直至后来回国加盟。

2008年,海德堡大学的实验装置被潘建伟整体搬迁回科大的同时,借助“百人计划”、“青年千人计划”,这些不同学科背景的年轻人,也陆续回国,他们回国时基本上都是30岁出头,正处在创新能力的高峰期。

这是一个有着国际一流水平的量子物理实验团队。陈宇翱和陈帅擅长冷原子量子模拟、苑震生和包小辉主攻量子存储,陈增兵和邓友金玩转量子理论,而陆朝阳则以其顶尖的多光子纠缠和固态量子光学技术在该领域保持国际领先,彭承志更是凭借其在实用化诱骗态量子密钥分发研究和远距离自由空间量子通信研究上的建树,作为首席科学家助理及科学应用系统负责人,参与领导并组织将于2016年发射升空的量子科学实验卫星项目。

完全回国后,潘建伟团队的研究四面开花,连连得分,几乎每年都有重大进展。比如,2009年,潘建伟团队将光纤量子通信安全距离提高到200公里,组建了世界上首个多节点的全通型光量子电话网,使量子通信在城市范围内的实用化成为可能。2014年11月,潘建伟及其同事张强、陈腾云与中国科学院上海微系统所、清华大学的科研人员合作,通过发展高速独立激光干涉技术,结合中科院上海微系统所自主研发的高效率、低噪声超导纳米线单光子探测器,将可以抵御黑客攻击的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里,并将成码率提高了3个数量级,创下新的世界纪录。

2015年初,潘建伟、陆朝阳团队在国际上首次成功实现同时传送单光子的两个自由度——自旋(极化)和轨道角动量(OAM),该研究刊登在2月6日的《自然》杂志封面上。国际量子光学专家Wolfgang Tittel教授在同期《自然》说:“该实验的实现为理解和展示量子物理的一个最深远和最令人费解的预言迈出了重要的一步,并可以作为未来量子网络的一个强大的基本单元”。年末,该项成果入选欧洲物理学会《物理世界》2015年度国际物理学领域的十项重大突破,且位居榜首。

2012年12月,《自然》杂志在报道潘建伟团队量子通信研究成果的新闻特稿《量子太空竞赛》中指出,“在量子通信领域,中国用了不到10年的时间,由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美。”

如其所言。潘建伟小组的杰出工作吸引了许多国外名校的量子物理研究学者慕名而来,加拿大卡尔加里大学的理论物理学教授Barry Sanders、德国海德堡大学理论物理学教授Matthias Weidemüller在2013年通过“千人计划”受聘为中科大量子信息与量子科技前沿协同创新中心教授。

同时,潘建伟小组也和国内外多个实验室建立合作,国际上有德国海德堡大学Matthias Weidemüller组、意大利Trento大学Sandro Stringari组、德国马普量子光学所Immanuel Bloch组、英国剑桥大学Mete Atature组等,国内的清华大学翟荟组、北京大学刘雄军组等。

“这些年来随着国家经济实力的增强,在科技研发投入和人才引进力度的增加,我国已经开始在物理学和生命科学领域不断地产生一些有意义的科学成果。对于上述现象心里感到由衷的高兴。”潘建伟对《知识分子》说。

2016年,对潘建伟团队无疑将是更加特别的一年。作为我国第一个空间科学卫星计划“空间科学战略性先导科技专项”的重要分项之一,“量子科学实验卫星(QUESS)”将于今年发射。

从应用的角度说,QUESS将进行星地高速量子密钥分发实验,旨在促进广域乃至全球范围量子通信的最终实现;而从基础研究的角度说,则可以在宏观的距离上检验所谓的量子力学的非局域性,即在新的尺度区间里,量子纠缠的规律会不会有所变化。“如果发现对现有物理偏离,新的物理就产生了。对量子纠缠而言,它在宏观的距离里面,会不会有什么变化,会不会受到引力的干扰,(通过QUESS)我们就可以对物理学的一些基本问题做一些检验,如果做的比较好,有可能发现一些新的物理。”潘建伟解释道。

20世纪著名物理学家John Wheeler曾说道,“过去一百年间量子力学已经给人类带来了如此之多的重要发现和应用,有理由相信在未来一百年间它还会给我们带来更多激动人心的惊喜。”

潘建伟不久前在一次论坛上引述这位世界物理学家对量子力学的期望,或许也可视为他对自己工作的期待。

附:“潘之队”成员

潘建伟 院士

陈增兵 教授

彭承志 研究员

陆朝阳 教授

陈宇翱 教授

邓友金 教授

张 强 教授

陈 帅 教授

陈 凯 教授

刘乃乐 教授

赵 博 教授

张 军 研究员

包小辉 教授

江 晓 副研究员

苑震生 教授

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