在量子世界占據一席之地

一面是信息科學高速發展，一面是信息安全舉步維艱。據測算，網絡犯罪每年給全球帶來高達4450億美元的經濟損失。“銀行卡密碼被破解，在導航中被黑客攻擊……突破經典信息技術的瓶頸，對于保護公民和國家的信息安全至關重要，對發展下一代信息產業也有著深遠影響。而量子通信是迄今唯一被嚴格證明為無條件安全的通信方式。”在中國科技大學，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達國家優先發展的科技高地，國際競爭異常激烈。

量子通信的實現超乎想象得困難。激光管每秒鐘發出的光子約有1016個，要把它們一個個分離出來制造單光子已經是阻力重重，更何況還要加載信息，再傳輸出去，最后還要探測成功。經過多年的努力，2007年，潘建偉團隊利用誘騙態方法，克服了現實條件下光源不完美帶來的安全隱患，在國際上首次實現安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發，從而開啟量子通信技術實用化的大門。此后，項目組又先后實現了國際上首個全通型量子通信網絡（2008年）、建成首個規模化城域量子通信網絡（2012年）。

但新問題隨之而來。城市光纖資源豐富，利用光纖來實現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用上。

潘建偉很早就意識到了這一點，在發展光纖量子通信技術的同時，也著手開展自由空間中的量子通信研究。2005年，潘建偉團隊發表了題為《13公里自由空間糾纏光子分發：朝向基于人造衛星的全球化量子通信》的論文，證明當糾纏光子分發經過相當于整個豎直大氣層后，其糾纏的特性仍然能夠保持，向世人宣告通過衛星實現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突破，為最終實現星地量子通信奠定了堅實的基礎。

此外，通過對糾纏態的研究，可以為將來高速度的量子計算機打下基礎。

“求解一個包含1024個變量的方程組，利用目前最快的天河2號超級計算機需要100年，而利用工作頻率比天河2號還要慢一萬倍的量子計算機，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，要操縱多個光子之間的量子糾纏更是難上加難。在團隊組建之初，國際上對多光子糾纏的實驗制備和操縱幾乎一片空白。為了攻克這一世界性難題，潘建偉的項目組與之苦苦糾纏了近10年。2003年，團隊終于實現四光子糾纏態，此后又先后實現五光子（2004年）、六光子（2007年）、八光子糾纏（2012年），一直保持著糾纏光子數目的世界紀錄。團隊基于國際領先的多光子糾纏操縱技術，在國際上率先實現了紹爾算法、拓撲量子糾錯、快速求解線性方程組算法、量子機器學習等幾乎所有重要量子算法的驗證。2015年，團隊憑借“多光子糾纏及干涉度量”的研究成果問鼎國家自然科學獎一等獎。

英國《自然》雜志在報道其量子通信研究成果時指出：“這標志著中國在量子通信領域的崛起，從十年前不起眼的國家發展為現在的世界勁旅，將領先于歐洲和北美。”英國《新科學家》雜志說，“潘和他的同事使得中國科學技術大學——因而也是整個中國——牢牢地在量子計算的世界地圖上占據了一席之地”。

“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，項目組已經為60周年國慶閱兵等國家重要政治活動提供信息安全保障。在國家發改委的支持下，以項目組為主要建設單位的遠距離量子通信骨干網“京滬干線”項目正在建設之中，將建設連接北京、上海，貫穿濟南、合肥等地的千公里級高可信、可擴展、軍民融合的廣域光纖量子通信網絡，預計2016年下半年建成。與此同時，團隊不久將發射首顆“量子科學實驗衛星”，在國際上率先實現高速的星地量子通信并連接地面光纖量子通信網絡，初步構建我國“天地一體”的廣域量子通信體系。