潘建伟:为量子通信贡献中国智慧

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2016年8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。

由于量子通信可以从根本上解决国防、金融、政务等多领域的信息安全问题,世界各国都为它投入了大量资源。而这次,中国先于美国,俄罗斯等技术大国将世界首颗量子卫星发射至太空,是一次重大突破,也标志着中国的信息安全得到技术保障。国际权威期刊《自然》杂志曾如此感叹:中国在量子卫星领域将领先于欧美。

说起中国的量子通信,有一个必须提到的名字——潘建伟。

潘建伟生于1970年,浙江东阳人,41岁当选中国“最年轻院士”,42岁获得国际量子通信大奖,45岁成为国家自然科学奖一等奖最年轻的第一完成人。现在,作为首席科学家,他领衔研制的世界首颗量子科学实验卫星已经飞上太空。“把量子实验室搬上太空的梦想,10多年前就已经开始。”潘建伟激动地说。

与量子“纠缠不清”

潘建伟的家庭教育与那个年代的其他家庭不太相同,小时候的潘建伟是一个被“开放式”教育的孩子。

“小时候,一家人围坐在煤油灯旁,听爸爸讲《聊斋》故事,放学后,我会把作业带到山上去做,父母也不会抓我回去。”后来,考大学选专业的时候,他曾担心学物理会养不活家人,毕竟,那是个“搞导弹不如卖茶叶蛋”的年代。父母说:“没关系,我们都有退休工资,按照你自己的兴趣来就可以了。”他突然发现,排除了功利的想法,抉择其实很简单,只要遵从自己的内心就好。

当然,没有偶然的成功,包括27岁时科研成果就已入选美国《科学》杂志“年度全球十大科技进展”的潘建伟。

初中时潘建伟举家搬到县城,教育资源的差距让他的成绩比往日一落千丈,语文基础差,英语40分,但是他从不服输,拉着同学练英语,追着老师问问题……,1987年,顺利考入了中国科技大学。

进入大学后潘建伟发现,班里有七个状元,人才辈出,可他已不再执着于分数,爱因斯坦的散文让他坚定了对物理研究的决心,也开始醉心于量子叠加态的研究。只是随着研究的深入,潘建伟愈发感觉到,量子理论中的各种疑案需要更尖端的实验技术才能得以验证。而当时国内的研究水平还很落后,于是潘建伟决定出国求学。

在获得中国科技大学理论物理学士和硕士学位后,潘建伟于1996年来到奥地利维也纳大学攻读博士学位,师从量子力学世界级大师塞林格。也正是在这里,潘建伟许下了“在中国建一个世界一流的量子光学实验室”的愿望,而这之后的每一步,都让他离自己的目标,更近一点。

刚入塞林格教授门下攻读博士学位,他就一直在脑海里酝酿着一个对量子态进行隐形传输的实验方案。

他研究的量子态隐形传输,就是利用“量子纠缠”的一种全新通信方式,也称量子通信。量子通信的原理是什么呢?简单说,两个纠缠过的量子就好像两个相爱的人,即使相隔万里仍有心灵感应。

在理论上,这种不可窃听不可复制的信息传输方式,可以保证信息传输的绝对安全,这是唯一一种从物理上保证信息安全的方式,和过去以计算复杂性为基础的传统密码通信相比,显然要高明的多。

无巧不成书,这正是当时另一组在研究的量子态隐形传输的理论方案。加入该组后的第二年,潘建伟成为了发表在Nature上的《实验量子隐形传态》第二作者。

潘建伟的眼泪一下子就流了下来

潘建伟真正实现他立下的“豪言壮语”的契机,是一部纪念“两弹一星”的片子。片中提到一位叫郭永怀的老先生,因为飞机失事不幸遇难,后来被发现他为了保护在基地带回来的数据,和警卫员紧紧抱在一起,尸体都烧焦了,但是装有珍贵资料的公文包毫发无伤。看到这里,潘建伟的眼泪一下子就流了下来,“我一定要回去为国家做点事情。”

回国后的潘建伟在中国科大负责组建了量子物理和量子信息实验室,面对国内量子信息研究领域一片空白的现状,团队步履维艰,想要申请到国内科研经费也并非易事。加之铺天盖地的批量子信息技术为“伪科学”的质疑声,他只是潜心研究,以期用科研成果改变这一切。

在不到一年的时间,他的研究组就在世界权威杂志《物理评论快报》上发表了7篇论文。而当时国内高校,在该杂志上一年也发不了几篇。

为保证与国外信息实时接轨,潘建伟自请做“候鸟”,往返于中外实验室,而到了2009年,潘建伟辞去国外的职务,将实验室迁回中科大,当初他送往国外各大顶尖实验室的年轻人也都陆续回国,组成了如今屡破纪录的“梦之队”。

早期实验室里的同事

·首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输;

·首次实现16公里自由空间量子态隐形传输;

·首次实验实现了八光子薛定谔猫态;

·利用八光子纠缠,首次实验实现了拓扑量子纠错;

·首次实验实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发;

·首次实现多自由度量子隐形传态,这也被英国物理学会(Physics World)评为“2015年度十大物理学突破”。。。。。。

其中最令世人惊叹的便是于2016年8月16日1时40份成功发射升空的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。

潘建伟真的很喜欢荠菜

潘建伟和他的团队,都有一种“从容不迫”的气质。

“有一年春天,我在奥地利维也纳的实验做完了,本该尽快赶到德国海德堡去筹建自己的实验室,可我很留恋在多瑙河边采摘荠菜的那一份惬意,担心到海德堡就再也采不了荠菜,于是就在维也纳多待了一段时间。

结果,在海德堡的实验计划被延后,后续的一个重要实验被别人先做了出来。当时,我感到有些懊恼,尤其是后来我发现在海德堡的内卡河边其实也有荠菜。

但是,我很快就释然了:工作是做不完的,这个实验未能如愿,下个实验再努力就是了,没有必要给自己施加那么大压力,相对悠闲一点,回到实验室的效率反而会更高。”

潘建伟曾经有一个实验做了整整4年,最后成功了。研究成果发表在《自然》上,《自然》的审稿编辑称这篇文章是“英雄式的文章”。

潘建伟的这种从容不迫同样也感染了他的学生。他的一个学生在若干年内只发表了三篇文章,篇篇扎实。在参评某个奖时,专家质询为什么只有三篇文章,潘建伟说,因为他沉得住气,有耐心,做的都是有重要意义的工作。最终,这个学生获得了该重要奖项。

这些年,人们问他最多的问题就是:“潘建伟,你离诺贝尔奖还有多远?”

潘建伟曾在接受采访时提到,在国内会面时,总会被问到最近发的文章、获的奖;媒体的采访,也只是关注于成就,而非研究的原因。

“有一年,”潘建伟回忆道:“我正好到奥地利一个山区度假,碰到一个八十岁左右的老太太,对中国人很好奇。”了解到潘建伟正在研究量子态隐形传输,她说:“我读过你在《Nature》发表的文章,但是没读懂。”这令潘建伟不禁感叹,大众眼中与科学毫无关系的八十岁老人竟对科学抱有如此的好奇心。

正如“感动中国”评选委员会给予潘建伟的颁奖词:嗅每一片落叶的味道,对世界保持着孩童般的好奇,只是和科学纠缠,保持与名利的距离,站在世界的最前排和宇宙对话,以先贤的名义,做前无古人的事业。潘建伟用行动回应质疑,以身体力行来告诉人们科学的力量。

与未来科学大奖结缘

由于潘建伟在量子通信相关领域做出的贡献,2017未来科学大奖将当年物质科学奖颁发给他,奖金一百万美元。

当潘建伟得知自己获奖的消息时,他谦虚又骄傲的说:“公元前700年,斯巴达人就开始使用某种方法的加密数来传递相关命令。后来到了罗马帝国,凯撒大帝又发明了一种把字母交换,变成密码的方式。

这些密码,本质上都是会被破解的。因为即使把字符替换掉,每个字符用的频度仍然是固定的,不管是汉语、英语,还是德语,都有这个规律。

所以,无论是古代的密码还是现代的密码,它们都是建立在计算复杂度的基础上的。基于计算复杂度的密码,只要计算能力足够,原则上都是可以被破解的。

所以在人类历史上,信息安全方面的永恒话题,就是如何能够找到一种安全的密码。千百年来,人们一直怀疑,以人类的智力到底能不能构造人类自身不可破解的密码?我们的工作很大程度上就回答了这个问题。

以我们人类的智力,能够设计出一种现实的技术,让无条件安全通信成为可能。这就是我们这些年所做的一些工作和它所达到的结果。”

本文部分内容及图片来自:

科学网:“70后”院士:潘建伟的人生常数

环球人物网:“70后”潘建伟,与量子“纠缠”二十年

新华社:潘建伟:我用了9年追求所爱的人,这么难的事情都做到了,还有什么不能做成

金华新闻网:科学的价值潘建伟在清华经管学院2018毕业典礼上的演讲

科学网:潘建伟:在质疑中前行,让中国坐稳世界量子通信第一位!

中国经济网:世界首颗量子卫星成功发射:“墨子号”是怎样炼成的



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责任编辑:桂楷东
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