“最近我们的一项重要成果即将在英国《自然》杂志上发表,这是我为杂志封面设计的成果示意图。”2012年1月,新当选的中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟在办公室打开电脑上的图像文件,高兴地对记者说。

  潘建伟是2011年度新增院士中最年轻的一位。1997年以来,他的团队已在《自然》、《自然—物理》、《自然—光子学》、美国《国家科学院院刊》、《物理评论快报》等权威期刊发表论文67篇,被引用7500余次,其成果5次入选欧洲物理学会评选的“年度物理学重大进展”、4次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”、6次入选两院院士评选的“年度中国十大科技进展新闻”。

  兴趣指引方向

  潘建伟选择物理作为专业,完全出于兴趣和爱好。1987年,他考入中国科大近代物理系。大学时期,班上仅省高考状元就有7个。“我的成绩只能算中等偏下,不过我心态好,学习一直很积极,对每门物理功课都抱有浓厚兴趣。”潘建伟笑着说。

  1996年,在中国科大获得理论物理硕士学位后,潘建伟投入奥地利维也纳大学塞林格教授门下攻读博士学位。那时候,导师正在组织一个几百万欧元的欧盟项目,这是量子信息实验研究方面的第一个国际合作项目。此前,量子信息一直处在理论研究阶段,还没有得到实验支撑。“我理论功底比较好,因此很快就进入了状态,工作进行得相当快。”

  1997年,题为《实验量子隐形传态》的研究论文在《自然》上发表,该成果被公认为量子信息实验领域的开山之作。该工作后来被《自然》选为“百年物理学21篇经典论文”之一。

  “我是论文的第二作者,发表实验数据的测量和处理主要是由我完成的。”潘建伟说,“以这个工作为起点,量子信息实验研究此后进入热门状态。”

  从跟踪到领跑

  2001年,潘建伟回到中国科大工作。量子信息研究发展很快,当时无论是研究水平还是人才储备方面,国内的基础都很薄弱。潘建伟说:“我们必须与国际上的先进小组保持密切联系,虚心向他们学习,才能更快地前进。如果等到别人绝尘而去,你再去追,就来不及了。”

  在这种思路指引下,潘建伟在与他的同学杨涛一道组织科研队伍、开展实验室建设的同时,还继续在维也纳大学从事多光子纠缠方面的合作研究。“成果出得很快,仅2003年一年,国内研究组作为第一单位发表的《物理评论快报》论文就有7篇。”

  2004年,潘建伟研究组在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输,《自然》发表了这一成果,并称赞说:“这种新颖的量子态隐形传输,是量子纠错和分布式量子信息处理所需要的关键技术。”这一成果同时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,这是中国科学家的第一次。

  “这表明国内研究组在量子纠缠方面的工作,已跃居国际领先水平。”潘建伟说,“我可以离开维也纳了,那里的知识我们国内小组已经全部掌握了。”

  此后,潘建伟以玛丽·居里讲席教授的身份到德国海德堡大学从事量子存储的合作研究。“要实现高效、长距离的量子通信,必须发展量子存储和量子中继技术,而冷原子系综是实现量子存储的理想系统。”潘建伟说,“海德堡大学的冷原子研究处于国际领先地位,我们必须把别人的看家本领学到手。”

  几年下来,潘建伟团队在冷原子量子存储方面形成了丰富的人才和技术积累,取得了一系列国际领先的研究成果。2008年,《自然》再次发表潘建伟团队的重要研究成果,他们利用量子存储技术在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换,完美地实现了长程量子通信中急需的“量子中继器”。

  2008年10月,潘建伟和他在德国的团队整体回归中国科大。这个时候,潘建伟团队已经成为国际上首次把安全量子通信距离突破到超过百公里量级的3个团队之一,国际上报道安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一,也是国内唯一领衔开展星地量子通信实验研究的科研团队。

  “在光量子纠缠操纵和量子通信方面,我们最终都走到了领跑的位置。”潘建伟说,“现在我们可以在国内开展国际领先的研究工作了。”

  最大的梦想

  量子信息研究集多学科于一体,要想取得突破,必须拥有不同学科背景的人才。这些年里,潘建伟将不同学科背景的年轻人一一送出国门。现在,这些特意“放飞”国外多年的年轻人,如同风筝收线一般,悉数回国,使科大团队得到了空前壮大。

  潘建伟说:“实验室里光是‘青年人才’、‘人才’教授就有10来个。他们基本上都比我小10岁左右,正处在创造的高峰期。”

  谈到团队未来的重点发展方向,潘建伟列了两个:一是将广域量子通信向实用化方向进一步推进;二是发展量子模拟技术,用发展起来的量子操纵技术反过来推动量子物理和凝聚态物理方面的基础研究。

  2009年4月,潘建伟团队在合肥市建立了世界上第一个光量子电话网,实现了“电话互联互通、语音实时加密、安全牢不可破”的量子保密电话网络系统。两年来,光量子电话网在系统的小型化、稳定性等方面取得了快速进展。

  “量子保密通信在城域网上的使用已经基本成熟,快则两三年,慢则三五年,就可以推广。”潘建伟说,“但要实现广域的量子保密通信,还需要借助卫星。”

  量子信息的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗,如果能在技术上实现纠缠光子在穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性,人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。潘建伟说:“中科院已经启动了空间科学战略性先导科技专项,计划在2015年左右发射量子科学实验卫星。”

  “许多人问我,什么是我的梦想?我说,梦想不是你想要得到什么东西,而是你发现一个很美妙的事情,你想去做。仅仅如此。”潘建伟说,“能在目前的基础上将量子通信技术发展到极致,而这既对国家和民族有利,又能满足我自己的好奇心,对我来说,这是最愉快的事情,也是我目前最大的梦想。”

  来源:中国科学报