以史诗般的实验引领第二次“量子革命”

伴随着量子科技的异军突起,中国已经成为世界量子科研领域的领先国家之一。中国科大教授潘建伟和他年轻的团队,正用史诗般的实验引领着世界第二次“量子革命”。以“创新”为底色和优势的合肥,孕育了中国量子科研的卓越团队和诸多核心科技,承载着光荣和梦想,蓄势远航。

伟大的探索起于“疯狂构想”

量子纠缠被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”,吸引着一代又一代科学家探究奥秘,越来越多的中国科学家也投身其中。早在2003年,潘建伟就提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案。当时,这个大胆的想法颇受质疑。采访中,潘建伟告诉记者,“当时甚至有人说我疯了,完全是胡说八道!但大家还是支持了我,觉得可以让我疯狂一下。”最终,在中科院空间科学战略性先导科技专项的支持下,潘建伟团队开始了量子通信的研究。

“那个时候激光器的功率很大,纠缠产生的效率又很低,所以一定要水冷。但我们当时在山顶上,没有自来水,怎么办?我们用两个大水桶。”谈及起初的实验环境,“墨子号”科学应用系统总设计师彭承志记忆犹新。

然而,就是在这样艰苦的条件下,2005年潘建伟团队在国际上首次实现了水平距离13公里的自由空间双向量子纠缠分发。2010年,该团队又在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16公里量子态隐形传输。2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年,潘建伟带领的中科院联合研究团队实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。

2016年8月16日,全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”从酒泉卫星发射中心升空,它承载着在国际上率先探索星地量子通信可能性的使命,并首次在空间尺度验证已有百年历史的量子理论的真实性。

“一步千里”的飞跃震撼世界

“墨子号”升空整整10个月之后,今年6月16日,首次实现上千公里量子纠缠的消息又一次让世界瞩目。“这是验证量子力学有效性的又一个决定性步骤”“这项工作是纠缠分发技术的一个真正突破”……从百公里到千公里的飞跃,“墨子号”将量子纠缠分发的世界纪录提高了一个数量级,在世界上赢得一片赞誉。

这项成果究竟有多“牛”?“到目前为止,这是我一生中最重要的实验研究成果。”潘建伟解释说,“墨子号”在国际上率先实现千公里级的量子纠缠分发,并在此基础上首次实现空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验,为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究,以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

彭承志说:“这是量子卫星上天以来迄今为止发布的最大成果。量子纠缠非常脆弱,会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离增加而衰减,以往的量子纠缠分发实验只停留在100公里级的物理距离。”

近日,潘建伟再次宣布一项重大突破,在国际上首次成功实现了白天远距离(53km)自由空间量子密钥分发,通过地基实验在信道损耗和噪声水平方面有效验证了未来构建基于量子星座的星地、星间量子通信网络的可行性。

除了量子纠缠分发实验外,“墨子号”还承担着其他重要科学实验任务,包括高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等。潘建伟透露,这些实验任务也在紧张顺利地进行中,预计今年会有更多的科学成果陆续发布。其中,已经开始实验运用量子纠缠技术创建密钥,以实现天地间的信息瞬时传输。“墨子号”还将带给我们新的惊喜。

宏伟的“量子大厦”拔地而起

小小量子,潜力无限。作为合肥综合性国家科学中心着力打造的“七大平台”之一——量子信息国家实验室正在争创中,名列全省科技创新“一号工程”。同时,量子信息与量子科技创新研究院的建设也在稳步推进中。

今年2月,量子信息与量子科技创新研究院正式揭牌,建设内容包括量子力学基本问题研究、量子信息前沿基础研究、量子信息应用技术研究和核心器件研发等,旨在服务国家信息安全保障、计算能力提高等重大需求。“着力突破推动以量子信息为主导的第二次量子革命的前沿科学问题和核心关键技术,抢占量子科技国际竞争和未来发展的制高点,成为具有重要国际影响的大型综合性开放式研究机构。”潘建伟向记者描绘出研究院的未来蓝图。

谈起量子信息国家实验室建设初衷,潘建伟告诉记者:“量子卫星的成功实施,体现了要建国家实验室的必要性。我们在合作过程中,建立起来的协同创新机制,为将来建立一种多学科交叉、协同创新大体量、大规模科学探索,找到了一条很好的道路。”

量子通信何时才能走进千家万户?“量子通信估计还需十年甚至更长的时间才能进入百姓生活,目前我们已经在探索一些应用了。”潘建伟说。宏伟的“量子大厦”正拔地而起,令人向往。            ·本报记者 王宗媛·

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