潘建伟:我的量子研究之路

日期 2014-07-24   来源:   作者:潘建伟  【 】   【打印】   【关闭

  1987年夏,我从浙江省东阳中学考入中国科学技术大学近代物理系。在科大学习期间,我第一次接触到了量子力学,发现微观世界里有很多奇特的现象。我对这些奇怪的量子特性陷入苦苦思考之中,甚至使我疏于做习题而险些挂科。但不管怎么样,量子世界的诡异特性令我着迷,因此我确立了我的奋斗目标:与量子打交道、交朋友。本科毕业前,我集中研究和总结了量子力学的各种佯谬,作为我的本科毕业论文。毕业后,我继续在科大攻读理论物理硕士学位,理论基础的加深使得我对量子的脾气摸得更透了。

  物理学终究是一门实验科学,再奇妙的理论如果得不到实验检验,无异于纸上谈兵。然而,当时国内缺乏进行量子实验的条件。研究生毕业后,在导师的推荐下,我从1996年开始师从国际上著名的量子物理实验学家,奥地利因斯布鲁克大学的蔡林格(Anton Zeilinger)教授攻读博士学位。一个理论物理专业的硕士,要想很快进入实验量子物理的前沿,其中的困难可想而知。为了尽快掌握实验知识和要领,我几乎整天都泡在实验室里,在中国科大训练出的较扎实的理论功底使我得以迅速理解和掌握实验技术。终于有一天,我有了自己的量子隐形传态的实验设想。然而,当我兴奋地向导师和同事们讲了自己的想法后,才知道这其实就是Bennett等提出的量子隐形传态方案,并且实验室正在做这个实验。我当时就提出要加入这个实验,并得到了蔡林格教授的应允。

  经过1年左右的努力,我和实验室的同事完成了这个在国际上首次实现光子的量子隐形传态的实验。我们的工作发表在Nature杂志上,被认为是量子信息实验领域的开端,同时被美国物理学会、欧洲物理学会Science杂志评为年度十大进展,并被Nature杂志在其特刊选为“百年物理学21篇经典论文”。至今,这篇论文仍然是量子信息科学领域被引用次数最多的实验论文。此后几年内,我和同事们先后实现了量子纠缠交换、三光子纠缠及其非定域性检验、四光子GHZ纠缠和高保真度的量子隐形传态、量子纠缠纯化等重要实验,结果均发表在NaturePhysical Review Letters上,这些工作多次被欧洲物理学会和美国物理学会评为年度物理学重大进展。

  我在奥地利攻读学位的时候,是量子信息这门新兴科学开始蓬勃发展的年月。这门学科——包括量子通信、量子计算、量子模拟和量子精密测量等研究方向——正是利用了量子的奇特性质,能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵,可以实现利用任何经典手段都无法完成的信息功能:量子通信克服了经典加密技术内在的安全隐患,是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式;量子计算和量子模拟具有超越经典极限的强大并行计算和模拟能力,一方面为密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供解决方案,另一方面可揭示高温超导、量子霍尔效应等长期悬而未知的物理机制;量子精密测量通过实现对重力、时间、位置等物理量的超高灵敏度测量,可以大幅度提升卫星导航、潜艇定位、医学检测、引力波探测等的准确性和精度。在怀着极大的热情与量子打交道的同时,我将目光投向了国内,迫不及待地希望祖国能很快跟上这个新兴科技领域的发展步伐,在信息技术领域抓住这次赶超发达国家并掌握主动权的机会。

  从1997年开始,我每年都利用假期回到中国科大讲学,为我国在量子信息领域的发展提出建议,并带动一批研究人员进入该领域。2001年,我入选“中科院引进国外杰出人才”,并获得了国家自然科学基金委海外青年学者合作研究基金和中科院知识创新工程重要方向性项目的支持,在中国科大组建了量子物理与量子信息实验室。这个实验室以一批年轻教师和学生为班底,朝气蓬勃。虽然我们是从零开始,但因为在组建之初就得到了国家自然科学基金委、中科院和中国科大的大力支持,在以后的几年里又陆续得到了科技部等主管部门的大力支持,因此实验室的发展速度非常快。仅2003年一年,我们研究组作为第一单位发表在Physical Review Letters的论文就有7篇。2004年,我们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,发表在Nature杂志。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,这对中国科学家来说是第一次。

  量子信息科学领域是一个日新月异、正在迅速发展的多学科交叉领域,需要各方面的人才和技术,需要与世界上优秀的科研团体合作,学习他们的先进技术和经验。正是考虑到这一学科背景,在2003—2008年间,我国内、国外两头跑,一方面在中国科大实验室大力发展光量子信息技术,另一方面前往在冷原子和原子芯片方面具有很强研究实力的德国海德堡大学物理所,以玛丽·居里讲席教授的身份在欧洲通过各种渠道申请经费支持,从国内招收研究生和博士后,为我国培养冷原子量子存储方面的研究力量。几年下来,我们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,Nature杂志发表了我们“量子中继器实验实现”的研究成果。利用量子存储技术在国际上首次完美地实现了长程量子通信中亟需的“量子中继器”,Nature杂志称赞该工作“扫除了量子通信中的一大绊脚石”。这项成果入选欧洲物理学会年度物理学重大进展。我们还首次实现了光子比特与原子比特间的量子隐形传态,首次将单次激发量子存储的寿命延长至毫秒量级,较以前的结果提高了两个数量级。

  2008年,在完成了充分的技术积累和人才储备后,我放弃了在海德堡大学的职位,同时将在海德堡大学的实验装置陆续搬迁回中国科大,将一批优秀的年轻人才从海德堡大学以国家“青年千人计划”、中科院“百人计划”等方式引进到中国科大。

  全时回国工作后,随着研究工作的不断深入和研究方向的扩大,寻求稳定的科研经费支持在一段时间内一直是困扰我们团队的主要问题。2009年,我获得“国家杰出青年科学基金”资助,无疑是对我团队工作的高度肯定和鼓励。在“杰青”项目、中科院的知识创新工程项目和科技部重大科学研究计划项目等的支持下,我们团队的经费需求问题初步得到解决,可以在国内开展国际领先的工作了。值得指出的是,我们团队的研究骨干中,有3人先后获得“杰青”项目的资助,充分体现了“杰青”是对我国优秀科研人员的高度认可。

  团队未来的重点发展方向有2个:一是将广域量子通信向实用化方向进一步推进;二是发展量子模拟及量子精密测量技术,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,这将使量子科学与技术之间形成良性的正反馈关系,这是我感到最为快乐的事情。

  回顾我们过去几年的发展,我感叹这是一个不断实现和超越梦想的光荣历程。我们应该感谢量子,是它使得我们能够有机会像“两弹元勋”等老一辈科学家们那样,为国家和社会的发展贡献自己的一份力量。我更应该感谢我们祖国在经济建设和社会进步中所取得的巨大成就。我们在发展量子信息科技上所取得的成绩,与国家自然科学基金委、教育部、科技部、中科院等科研主管部门和中国科大的强有力支持是分不开的。不仅如此,国家对引进海外高层次人才的重视也达到了新的高度,使得更多的优秀青年人才可以归而报国,在国内充分发挥他们的创造力,成为前沿研究领域的生力军。可以说,团队所获得的持续支持和所取得的成绩不仅彰显着我国不断提高的综合国力和科技创新能力,也充分反映了我国对支持战略性前沿基础科学研究的敏锐判断力和决策力。

个人简介

  潘建伟,2009年度“国家杰出青年科学基金”获得者,教育部“长江学者”特聘教授,国家“千人计划”专家,中国科学院院士,发展中国家科学院院士。1999年获奥地利因斯布鲁克大学实验物理专业博士学位,现任中国科学技术大学副校长、教授、博导,中科院“量子科学实验卫星”战略性先导科技专项首席科学家,中科院“量子系统的相干控制”战略性先导科技专项首席科学家,中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心主任,教育部量子信息与量子科技前沿协同创新中心主任。主要从事量子力学基础问题检验、量子通信和量子计算等方面的研究。目前,潘建伟及其团队在多光子纠缠操纵、实用化量子通信、冷原子量子存储以及自由空间量子通信等大尺度量子信息处理的多个方面取得了较全面系统性的研究成果,已在Nature及其子刊、PNASPhysical Review Letters等重要的国际物理学期刊上发表论文100余篇,研究成果5次入选欧洲物理学会评选的“年度物理学重大进展”,5次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”,1次入选《自然》杂志评选的“年度十大科技亮点”、7次入选两院院士评选的“年度中国十大科技进展新闻”。

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