“遥远地点间幽灵般的相互作用”
 量子力学(Quantum Mechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科,它主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质,与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一,而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。
量子纠缠,被爱因斯坦称为“遥远地点间幽灵般的相互作用”,现在科学家用真实的实验证实了爱因斯坦的想象。众多的物理学家已在自己观点的指引下,对量子力学的基本解释提出了自己的看法,主要有三种:传统解释、 PTV系统解释和统计解释。这三种解释之间既有区别又有联系。
传统解释的出发点是量子假设,强调微观领域内每个原子过程或基元中存在着本质的不连续,其核心思想是玻尔的互补原理(并协原理),还接受了玻恩对态函数的概率解释,并把这种概率理解为是同一个粒子在给定时刻出现在某处的概率密度。PTV系统解释的代表是玻姆,这种解释试图通过构造各种隐变量量子论来寻找量子力学的决定论基础,即为态函数的概率解释建构决定论的基石,目的是在微观物理学领域内恢复决定论和严格因果性,消除经典世界同量子世界的独特划分,回到经典物理学的预设概念,建立物理世界的统一说明。统计解释认为,态函数是对统计系统的描述,量子理论是关于系统的统计理论,这个系统是由全同地(或相似的)制备的系统组成,不需要一个预先确定的动力学变量的集合,是一种最低限度的系统解释。上面讲到的三种观点之间,是既有联系又有区别的,正是由于各方都坚持己见,才有了著名的爱因斯坦与玻尔之间的论战,量子纠缠才被爱因斯坦以一个悖论的疑问提出。
为了认识和促进光子之间的纠缠状态,潘建伟院士同国内及德国、奥地利专家合作,对这一世界性难题研究了近十年。郭光灿院士对量子纠缠概念做了如下的描述:量子纠缠是光子间的神秘的联系,奇妙在其中的一个光子经过测量就可以了解另外一个光子的状态;光子纠缠是一个整体,两个光子作为一个整体来看时如果试图窃听或偷走其中一个光子的信息,你将任何信息都得不到。这是另外一个特性,这就是其保密安全性所在。但由于在量子通信通道中存在种种不可避免的环境噪声,“量子纠缠态”的品质会随着传送距离的增加而逐渐降低,导致量子通信手段目前只能停留在短距离应用上。
走量子之路 实现“中国复兴梦”
 1999~2000年,首次成功实现三光子(1999年)、四光子纠缠态(2001年),并利用多粒子纠缠态首次成功地实现了GHZ定理的实验验证(2000年);
 2 0 0 3 年,首次成功地实现了自由量子态的隐形传送;
 2003年,首次成功完成纠缠态纯化以及量子中继器的实验;
 2004年,首次取得五粒子纠缠态的制备与操纵;
 2006年,首次实现两粒子复合系统量子态隐形传输,并在实验中第一次成功实现了对六光子纠缠态的操纵;
 2012年,首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发,为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础;
2013年,首次成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实验。
中国逐步跻身国际一流的量子物理研究,以及积极实现产业化的量子信息应用,背后都离不开一个名字:潘建伟。
 1987年,17岁的潘建伟从浙江东阳中学考入中国科学技术大学近代物理系。作为四大力学之一的量子力学,因其“充满悖论”而引起了潘建伟的好奇心,并引导他逐步走上了量子物理研究之路。在20世纪90年代,中国国内的量子物理研究还远远落后于国际先进水平。1996年,潘建伟进入奥地利维也纳大学攻读博士学位。在国际量子物理学大师塞林格教授带领下的科研小组里,潘建伟逐渐崭露头角,1997年以他为第二作者的论文《实验量子隐形传态》获选当年度全球十大科技进展。
但成为国际一流学者并不是潘建伟梦想的全部。 2001年,潘建伟在导师的不解中回国,开始在母校中科大组建量子信息实验室。经过近十年来在人才、设备、软件等方面的探索与积累,“潘建伟团队”的科研成果已分别5 次和4次入选欧洲物理学会、美国物理学会评选的“年度物理学重大进展”,实验室也跻身为国际量子信息研究最前沿的三个实验室之一。经过全球近二十年来的研究发展,量子信息已被认为可能是下一代通信和计算机的支撑性技术,并在目前进入了早期产业化阶段。如何抢占这一具有重大战略意义和经济价值的新兴产业制高点,成为当前国际科技竞争中的一大热点。
潘建伟,中国科学院院士,中国科学技术大学教授。回顾二十多年来的“量子之路”,这位我国目前最年轻的院士说:“我们这一代人的内心深处都隐藏着一个‘中国复兴梦’,每个人都在自己的位置上努力,而我选择的方式是研究量子物理。”
保持世界领先 更求整体发展
在中国学术界对量子通信领域的研究还很陌生的时候,1999年,潘建伟有关实现未知量子态的远程输送的研究成果,同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果,一起被著名的《自然》杂志评为“百年物理学21篇经典论文”。那一年,他才29岁。潘建伟和他的研究小组的多个“世界首次”让世界同行感到惊奇。 2004年,当潘建伟、杨涛等人关于“五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输”的论文发表后,研究成果同时入选欧洲物理学会和美国物理学会的年度十大进展。
在短短几年里,一个人数不多的研究小组竟然能够在世界顶级学术刊物发表36篇论文,对于高水平论文稀缺的中国科学界来说,是极为罕见的。2005年,潘建伟还荣幸地被综述杂志《现代物理评论》(影响因子高于《自然》)邀请撰写综述文章,这是中国实验物理学家在《现代物理评论》上撰写的第一篇文章。这也说明,潘建伟小组在量子通信领域的某一方面的确是具有世界领先水平的。在当今中国,发表一两篇高质量、原创性的论文可能并不稀奇,但在竞争激烈的世界科学的前沿牢牢地占据一个立足点乃至制高点,是弥足珍贵的。
潘建伟的合作伙伴陈增兵教授还告诉记者一个小秘密:现在他们刚进行了操纵六个光子(小的量子计算机)进行量子计算的实验,这个研究进展还没有公开发表。与五光子纠缠相比,六光子纠缠的实验难度是呈指数增长的。如果这一实验结果公布,将成为潘建伟和他的团队的第七个“世界首次”,也必将令世界量子信息研究同行为之侧目。潘建伟谈到自己,“我觉得自己还可以再干20 年,我计划花5~10年做量子通信,剩下的时间去做量子模拟”。而最让潘建伟欣慰的是团队的成长,“近几年我们实验室送出去的学生有百分之八十学成后选择回国,国内的科研平台的吸引力越来越大。比如现在回来的人正好比我小10岁左右,他们将是国内量子信息研究新的力量来源”。
基于量子力学的基础研究可以发展实用化,从实用化过程中涌现的有些技术又可以用于基础研究,科学与技术是一个良性的正反馈。量子信息专家郭光灿院士谈到,在未来二十年内量子通信会有大规模运用,美国、欧盟、日本都非常重视这一领域。量子通信在未来的国家信息安全方面具有重要意义,谁掌握了这个手段,谁就掌握了先机。在原创性研究领域,第二都是失败!中国人要在科学研究上争第一。从整体上讲,目前中国量子通信研究只处于部分领先,整体发展才是学科建设最重要的因素。如果有更多的人多做一些事,经过十年、二十年的努力,中国的国力就会有很大提高。