近日，光量子計(jì)算和大尺度光量子信息處理兩項(xiàng)成果雙雙入選中國科學(xué)院“率先行動”計(jì)劃第一階段59項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(bào)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(duì)在《自然》發(fā)表論文，在國際上首次實(shí)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(xiàng)項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jī)

7月23日，美國能源部公布報(bào)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(jì)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(shí)，“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(shí)施，構(gòu)建了國際首個(gè)天地一體的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形。

之所以能“起個(gè)大早、趕個(gè)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(jì)算和量子精密測量等領(lǐng)域，有多光子糾纏、光量子計(jì)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(gè)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(duì)，潘建偉用了10多年時(shí)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(fèi)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(duì)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(dú)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(jì)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(shí)驗(yàn)室，成為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)成功，以封面論文的形式發(fā)表在《科學(xué)》，印娟成為團(tuán)隊(duì)里第一個(gè)同時(shí)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(duì)，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(jì)師任繼剛，至今仍清楚地記得讀博時(shí)第一次聽潘建偉作報(bào)告的情景。“太神奇了，就像聽一個(gè)科幻故事。”他回憶說。

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(bào)告的那個(gè)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(shí)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?yàn)閹缀跽婵�，光信號損耗非常小，潘建偉破天荒地提出了“上天”這個(gè)“大膽且瘋狂”的方案。

當(dāng)時(shí)，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(shí)現(xiàn)長距離傳輸時(shí)，彭承志認(rèn)為“這是一個(gè)遙不可及的夢想”。他問潘建偉：“這個(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)，于2005年實(shí)現(xiàn)了13公里的量子糾纏分發(fā)。這個(gè)傳輸距離超過了大氣層的等效厚度，從而證實(shí)了遠(yuǎn)距離自由空間量子通信的可行性。

2009年，團(tuán)隊(duì)在青海湖開展百公里量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)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(gè)分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師。

島上通信信號極差，幾位年輕人沒什么消遣，晚上做實(shí)驗(yàn)，白天借著搭建的無線網(wǎng)橋開例會。2012年，團(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)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(gè)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(duì)一步一個(gè)腳印，從無到有地驗(yàn)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(xiàng)目的確定過程中，習(xí)慣于拒絕支持有爭議的項(xiàng)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(shí)現(xiàn)自由空間量子通信的構(gòu)想。這個(gè)“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(gè)“不靠譜”的計(jì)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(xiàng)正式立項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)施“率先行動”計(jì)劃，給“墨子號”研制團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(yùn)動。

在“率先行動”計(jì)劃的支持下，這樣一項(xiàng)看似“不可能的任務(wù)”最終順利完成。“我們的合作體現(xiàn)出了創(chuàng)新研究院的價(jià)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(jià)稱，“墨子號”為中國在國際上搶占了量子科技創(chuàng)新制高點(diǎn)，成為了國際同行的標(biāo)桿，實(shí)現(xiàn)了“領(lǐng)跑者”的轉(zhuǎn)變。

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