在量子世界占據(jù)一席之地

一面是信息科學(xué)高速發(fā)展，一面是信息安全舉步維艱。據(jù)測算，網(wǎng)絡(luò)犯罪每年給全球帶來高達(dá)4450億美元的經(jīng)濟(jì)損失。“銀行卡密碼被破解，在導(dǎo)航中被黑客攻擊……突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸，對于保護(hù)公民和國家的信息安全至關(guān)重要，對發(fā)展下一代信息產(chǎn)業(yè)也有著深遠(yuǎn)影響。而量子通信是迄今唯一被嚴(yán)格證明為無條件安全的通信方式。”在中國科技大學(xué)，潘建偉告訴筆者。在過去的10多年間，他和同事們一直在為此努力。這也是近年來世界主要發(fā)達(dá)國家優(yōu)先發(fā)展的科技高地，國際競爭異常激烈。

量子通信的實(shí)現(xiàn)超乎想象得困難。激光管每秒鐘發(fā)出的光子約有1016個(gè)，要把它們一個(gè)個(gè)分離出來制造單光子已經(jīng)是阻力重重，更何況還要加載信息，再傳輸出去，最后還要探測成功。經(jīng)過多年的努力，2007年，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用誘騙態(tài)方法，克服了現(xiàn)實(shí)條件下光源不完美帶來的安全隱患，在國際上首次實(shí)現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，從而開啟量子通信技術(shù)實(shí)用化的大門。此后，項(xiàng)目組又先后實(shí)現(xiàn)了國際上首個(gè)全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)（2008年）、建成首個(gè)規(guī)模化城域量子通信網(wǎng)絡(luò)（2012年）。

但新問題隨之而來。城市光纖資源豐富，利用光纖來實(shí)現(xiàn)量子通信固然是最有效的途徑。然而光纖有不可避免的損耗，隨著距離的增加，光子會幾乎全部被吸收，這意味著僅僅依靠光纖，量子通信只能停留在短距離應(yīng)用上。

潘建偉很早就意識到了這一點(diǎn)，在發(fā)展光纖量子通信技術(shù)的同時(shí)，也著手開展自由空間中的量子通信研究。2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)發(fā)表了題為《13公里自由空間糾纏光子分發(fā)：朝向基于人造衛(wèi)星的全球化量子通信》的論文，證明當(dāng)糾纏光子分發(fā)經(jīng)過相當(dāng)于整個(gè)豎直大氣層后，其糾纏的特性仍然能夠保持，向世人宣告通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球化量子通信成為可能。此后他們在自由空間量子通信的一系列技術(shù)突破，為最終實(shí)現(xiàn)星地量子通信奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

此外，通過對糾纏態(tài)的研究，可以為將來高速度的量子計(jì)算機(jī)打下基礎(chǔ)。

“求解一個(gè)包含1024個(gè)變量的方程組，利用目前最快的天河2號超級計(jì)算機(jī)需要100年，而利用工作頻率比天河2號還要慢一萬倍的量子計(jì)算機(jī)，只要0.01秒。”潘建偉表示。然而，對單光子的精確操縱已是不易，要操縱多個(gè)光子之間的量子糾纏更是難上加難。在團(tuán)隊(duì)組建之初，國際上對多光子糾纏的實(shí)驗(yàn)制備和操縱幾乎一片空白。為了攻克這一世界性難題，潘建偉的項(xiàng)目組與之苦苦糾纏了近10年。2003年，團(tuán)隊(duì)終于實(shí)現(xiàn)四光子糾纏態(tài)，此后又先后實(shí)現(xiàn)五光子（2004年）、六光子（2007年）、八光子糾纏（2012年），一直保持著糾纏光子數(shù)目的世界紀(jì)錄。團(tuán)隊(duì)基于國際領(lǐng)先的多光子糾纏操縱技術(shù)，在國際上率先實(shí)現(xiàn)了紹爾算法、拓?fù)淞孔蛹m錯(cuò)、快速求解線性方程組算法、量子機(jī)器學(xué)習(xí)等幾乎所有重要量子算法的驗(yàn)證。2015年，團(tuán)隊(duì)?wèi){借“多光子糾纏及干涉度量”的研究成果問鼎國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

英國《自然》雜志在報(bào)道其量子通信研究成果時(shí)指出：“這標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的崛起，從十年前不起眼的國家發(fā)展為現(xiàn)在的世界勁旅，將領(lǐng)先于歐洲和北美。”英國《新科學(xué)家》雜志說，“潘和他的同事使得中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)——因而也是整個(gè)中國——牢牢地在量子計(jì)算的世界地圖上占據(jù)了一席之地”。

“在量子的世界里，我們還在向上攀登的路上。”潘建偉說。如今，利用自主研制的量子通信裝備，項(xiàng)目組已經(jīng)為60周年國慶閱兵等國家重要政治活動(dòng)提供信息安全保障。在國家發(fā)改委的支持下，以項(xiàng)目組為主要建設(shè)單位的遠(yuǎn)距離量子通信骨干網(wǎng)“京滬干線”項(xiàng)目正在建設(shè)之中，將建設(shè)連接北京、上海，貫穿濟(jì)南、合肥等地的千公里級高可信、可擴(kuò)展、軍民融合的廣域光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)2016年下半年建成。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)不久將發(fā)射首顆“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”，在國際上率先實(shí)現(xiàn)高速的星地量子通信并連接地面光纖量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建我國“天地一體”的廣域量子通信體系。