這是一場人與自然的角力。
自上世紀(jì)末以來，人類對自然界的能量最小單位——量子的理解，開始突破往昔瓶頸，從而催生了量子信息科學(xué)。量子信息研究以量子通信等領(lǐng)域為切入口，逐漸迎來了“全速發(fā)展期”。
而在此當(dāng)中，很多個“世界首次”，均來自于“中國隊”。
從在國際上首次成功實現(xiàn)量子態(tài)隱形傳送以及糾纏態(tài)交換、首次實現(xiàn)安全通信距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)，再到實現(xiàn)國際上首個全通型量子通信網(wǎng)絡(luò)、建成首個規(guī)�；孔油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)……中國科學(xué)家逐步躋身于國際一流的量子信息研究行列，量子通信的產(chǎn)業(yè)化也在中國科學(xué)家的全力推動下得到最快速的發(fā)展。
“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。”國際權(quán)威期刊《自然》雜志不禁感嘆。
諸多首次的背后，都鐫刻著一個為國際學(xué)界所熟知的名字——潘建偉。
潘建偉可以說是中國科學(xué)家典型的成功樣本：
27歲入選“年度全球十大科技進展”，41歲當(dāng)選“最年輕院士”，42歲獲得國際量子通信大獎，45歲成為國家自然科學(xué)獎一等獎最年輕的第一完成人。他所帶領(lǐng)的團隊，成果9次入選兩院院士評選的“年度十大科技進展新聞”，1次入選《自然》雜志評選的“年度十大科技亮點”，3次入選英國物理學(xué)會評選的“年度物理學(xué)重大進展”，3次入選美國物理學(xué)會評選的“年度物理學(xué)重大事件”。
然而，對他來說，大大小小的榮譽與光環(huán)不過是馬拉松比賽中為他補充能量的飲水站，不是最終目標(biāo)，也不是驅(qū)動他分秒必爭、永不停歇的內(nèi)在動力。在他心中，這場長跑不僅是各國科學(xué)家之間的創(chuàng)新之爭，更是人類有限的認(rèn)知與自然無盡的奧秘之間的角力。
“量子力學(xué)所預(yù)言的種種奇特現(xiàn)象，以及量子力學(xué)誕生一百余年來對人類物質(zhì)文明進步所帶來的巨大變革，使我對量子物理產(chǎn)生了濃厚興趣。因此，探究量子世界的各種奇妙現(xiàn)象也成了我終生的奮斗目標(biāo)。”在潘建偉的心中，對量子的探究是保持他精神自由的工具，也是他擺脫精神桎梏的飛行器。
事實上，在潘建偉團隊所做出的一項項成果之下，隱含著一幅清晰縝密的發(fā)展藍(lán)圖：通過量子通信研究，從初步實現(xiàn)城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，到實現(xiàn)全球范圍的量子通信網(wǎng)絡(luò)，以保證信息傳輸?shù)慕^對安全；通過量子計算研究，為大規(guī)模計算難題提供解決方案，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)時代信息的有效挖掘；通過量子精密測量研究，實現(xiàn)新一代定位導(dǎo)航等等。
而這幅藍(lán)圖的第一個板塊，將有望在今年得到兩大關(guān)鍵性突破。今年，由潘建偉團隊牽頭承擔(dān)的世界上第一條遠(yuǎn)距離量子通信保密干線“京滬干線”將開通。同時，由團隊牽頭承擔(dān)的中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（簡稱“空間科學(xué)先導(dǎo)專項”）的世界首顆“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”也發(fā)射在即。
一星一地，交相呼應(yīng)。屆時，這兩大工程將可以實現(xiàn)高速星地量子通信、并連接地面的城域量子通信網(wǎng)絡(luò)，初步構(gòu)建成我國天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形，并最終將目標(biāo)設(shè)定為建立一個覆蓋全國甚至覆蓋全球的廣域量子保密通信網(wǎng)絡(luò)。
小小量子，卻擁有無限潛力。量子信息科技為科技實力正在不斷提升的中國帶來了一個重大的機遇，中國正在從經(jīng)典信息技術(shù)時代的跟隨者成長為未來信息技術(shù)的領(lǐng)跑者。
《科學(xué)新聞》：當(dāng)大多數(shù)人仍滿足于在實驗臺上研究量子信息時，您已經(jīng)開始思考如何能夠在太空中實現(xiàn)信息的隱形傳送。您能否告訴我們?yōu)槭裁匆欢ㄒ蚜孔訉嶒?ldquo;搬”上太空？
潘建偉：突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸，對于保護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。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。量子不可分割、不可克隆，所以能保證加密內(nèi)容不被破譯。它可以從根本上保障信息安全、保護全人類的隱私。
經(jīng)典通信加密方式的安全性依賴于計算復(fù)雜度，因此也一直受到計算能力的提升以及數(shù)學(xué)的進步所帶來的威脅。不同于經(jīng)典通信，量子保密通信的安全性是建立在量子物理基本原理的基礎(chǔ)上，從原理上講是無條件安全的。因此，量子通信可以從根本上解決國防、金融、政務(wù)等多領(lǐng)域的信息安全問題。也正因如此，量子通信一直得到國際上的高度重視，各國間的競爭非常激烈。
目前，量子保密通信技術(shù)已經(jīng)從實驗室演示走向產(chǎn)業(yè)化和實用化，正朝著高速率、遠(yuǎn)距離、網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。在城市范圍內(nèi)，通過光纖構(gòu)建城域量子通信網(wǎng)絡(luò)是最佳的方案，我國在城域光纖量子通信方面已取得了國際領(lǐng)先的地位。
然而，由于光纖的固有損耗，在光纖中實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子通信面臨著巨大的挑戰(zhàn)。比如，即使存在超出目前技術(shù)水平的10G赫茲理想單光子源和100%探測效率的理想單光子探測器，在1000公里光纖中進行點對點量子通信，每300年也只能傳輸一個比特。因此，要實現(xiàn)覆蓋全球的廣域量子保密通信，還需要借助衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)。另一方面，衛(wèi)星也為大尺度的量子物理基本問題實驗檢驗提供了天然的平臺。
《科學(xué)新聞》：作為空間科學(xué)先導(dǎo)專項的科學(xué)實驗衛(wèi)星之一，也是世界上首顆以量子科學(xué)實驗為目的的科學(xué)衛(wèi)星，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的研制發(fā)射將帶來怎樣的意義？
潘建偉：2011年，中科院啟動全球首顆“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”的研制，這也是空間科學(xué)先導(dǎo)專項中首批確定的五顆科學(xué)實驗衛(wèi)星之一。量子科學(xué)實驗衛(wèi)星計劃于今年7月發(fā)射升空，將在國際上率先實現(xiàn)高速的星地量子通信以及空間尺度的量子物理基本問題檢驗。結(jié)合地面即將建成的“京滬干線”千公里級廣域量子通信骨干網(wǎng)絡(luò)，可以初步構(gòu)建我國空地一體的廣域量子通信體系，為率先建成全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。
一個天地一體的全球化量子通信基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建成功后，能為未來的互聯(lián)網(wǎng)提供基于量子通信技術(shù)的安全保障，形成完整的量子通信產(chǎn)業(yè)鏈和下一代國家主權(quán)信息安全生態(tài)系統(tǒng)。
同時，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的研制也將促進空間光通信、空間單光子探測、星地高精度時間同步等技術(shù)的發(fā)展，在量子通信技術(shù)實用化整體水平上保持和擴大國際領(lǐng)先地位，實現(xiàn)國家信息安全和信息技術(shù)水平跨越式提升。
《科學(xué)新聞》：由我國科學(xué)家獨立研制的量子科學(xué)實驗衛(wèi)星具備哪些自主創(chuàng)新內(nèi)容？
潘建偉：量子科學(xué)實驗衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的星地量子通信設(shè)備，突破了一系列高精尖技術(shù)，包括“針尖對麥芒”的星地光路對準(zhǔn)，偏振態(tài)保持與星地基矢校正，量子光源載荷等關(guān)鍵技術(shù)。
它的成功研制，不僅是中國量子保密通信領(lǐng)域“殺手锏”技術(shù)研發(fā)的重大突破，實現(xiàn)了從跟隨創(chuàng)新到引領(lǐng)創(chuàng)新、從集成創(chuàng)新到原始創(chuàng)新的跨越，同時也是世界量子通信技術(shù)的重要創(chuàng)新，它有望使人類科技發(fā)展史上“最安全的通信手段”具備覆蓋全球的能力。
隨著中國科技的迅猛發(fā)展，我相信量子通信將在不到10年的時間里輻射千家萬戶。期盼在我有生之年，能親眼目睹以量子計算為終端、以量子通信為安全保障的量子互聯(lián)網(wǎng)的誕生。我相信中國科學(xué)家們做得到。
《科學(xué)新聞》：在量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的研制過程中，您和團隊遇到過最大的難題是什么？是如何攻克的？
潘建偉：衛(wèi)星研制過程中各個載荷系統(tǒng)都遇到了很多難題，難以說哪個最大。一個具有代表性的難題是市面上現(xiàn)有的單光子探測器都無法滿足空間的高輻射環(huán)境要求。因為宇宙射線會對探測器的半導(dǎo)體晶格造成損傷，增加晶格缺陷，隨著晶格中缺陷的增多，器件性能出現(xiàn)急劇衰減。
我們團隊先從基本物理特性入手，在載荷資源和器件本身特性最大允許范圍內(nèi)，提出了通過降低單光子探測器工作溫度、增加探測器屏蔽厚度等技術(shù)可以解決該問題。隨后實驗上經(jīng)過艱苦攻關(guān)，通過歐洲質(zhì)子加速器輻照測試，發(fā)現(xiàn)降低單光子探測器工作溫度和增加探測器屏蔽厚度的技術(shù)可以有效增加單光子探測器在軌工作壽命。
《科學(xué)新聞》：您認(rèn)為中國此次為何得以先于歐美國家，首先發(fā)射量子科學(xué)實驗衛(wèi)星？
潘建偉：量子通信和量子計算研究興起后，世界各地的物理學(xué)家們開始構(gòu)思可擴展量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。在量子通信領(lǐng)域，當(dāng)大多數(shù)人仍致力于在實驗室內(nèi)部的原理性演示時，我們的團隊已經(jīng)開始思考如何能夠在太空中實現(xiàn)量子信息傳輸，并早在2003年就初步構(gòu)想了量子科學(xué)實驗衛(wèi)星計劃。自2005年起，我們團隊就開始星地量子通信的地面驗證實驗，一系列實驗的成功為星地量子通信奠定了堅實的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。
此外，領(lǐng)跑國際量子太空競賽，還有賴于中國“大科學(xué)”項目建設(shè)的高效性。因為實現(xiàn)衛(wèi)星量子通信一直是國際上科技強國競相追逐的目標(biāo)。比如，量子信息實驗研究的先驅(qū)者、著名物理學(xué)家Anton Zeilinger研究組以及歐洲眾多的優(yōu)秀研究團隊一直在與歐洲空間局商討建立以國際空間站為平臺的星地量子通信計劃。然而，歐空局緩慢的決策機制使得這一計劃一再拖延。
而在我國，一方面，國家的高強度支持使得包括我們團隊在內(nèi)的優(yōu)秀科研團隊快速推進量子信息研究的發(fā)展；另一方面，在衛(wèi)星量子通信方向上出現(xiàn)重大突破跡象時，中科院快速作出前瞻性決策，得以在國際上率先啟動“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”。
《科學(xué)新聞》：其實，在經(jīng)典信息技術(shù)時代我國一直算是科技強國的跟隨者，但在量子通信技術(shù)領(lǐng)域上，我國卻創(chuàng)造出多個首次，在量子通信領(lǐng)域趕超歐美國家。獲得如此成績，是有怎樣的積淀與支持？
潘建偉：首先是因為國家的大力支持。2000年以來中國經(jīng)濟高速增長，國家對科研經(jīng)費的投入不斷加強，成為科研創(chuàng)新的黃金時期。我國政府也高度重視量子信息領(lǐng)域的發(fā)展，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》就將“量子調(diào)控研究”列入科技部四項“重大科學(xué)研究計劃”之一，中科院、科技部、基金委等科研主管部門對量子信息領(lǐng)域持續(xù)進行著前瞻性、戰(zhàn)略性布局。在國家的高強度支持下，我國形成了很強的理論和實驗技術(shù)儲備，培育了一批優(yōu)秀的研究團隊，在量子通信、量子計算等研究方向上產(chǎn)生了一批具有重要國際影響的研究成果。
其次，我們很注重國際交流合作。在我剛回國建立實驗室的時候，當(dāng)時無論是研究水平還是人才儲備方面，國內(nèi)的基礎(chǔ)都很薄弱。“工欲善其事，必先利其器”。因此我們在各國間奔波，與國際先進小組保持密切的合作，不斷地取長補短，這是讓團隊得以快速發(fā)展壯大的“秘方”。
第三是人才隊伍建設(shè)。量子信息研究集多學(xué)科于一體，要想取得突破，必須擁有不同學(xué)科背景的人才。多年來，我們一直有針對性地選送學(xué)生出國留學(xué)，把他們送到量子信息研究的優(yōu)秀國際小組加以鍛煉。近年來，這些年輕人悉數(shù)回國，使得我們的量子研究團隊得到空前壯大，形成了一支特色鮮明、優(yōu)勢互補的年輕研究隊伍。
《科學(xué)新聞》：在發(fā)射量子科學(xué)實驗衛(wèi)星之后，下一步您會將工作重點放在哪里？
潘建偉：對于我們團隊來說，衛(wèi)星的發(fā)射并不代表我們的努力就到此為止。單顆低軌衛(wèi)星無法覆蓋全球，同時由于強烈的太陽光背景，目前的星地量子通信只能在地影區(qū)進行。要實現(xiàn)高效的全球化量子通信，還需要形成一個衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)。繼“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”項目之后，我們團隊還將計劃開展空間站“量子調(diào)控與光傳輸研究”項目。該項目將研究星間量子通信技術(shù)、全天時量子通信技術(shù)等，同時進行量子密鑰組網(wǎng)應(yīng)用、多種技術(shù)體制的空間激光通信驗證、量子密鑰分發(fā)與激光通信復(fù)合的加密信息傳輸系統(tǒng)等應(yīng)用研究，為下一步的衛(wèi)星組網(wǎng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。如果進展順利，國家也支持發(fā)射多顆量子通信衛(wèi)星，那么有希望到2030年左右，建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。“量子調(diào)控與光傳輸研究”項目還將開展基于量子存儲的量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，以及在更遠(yuǎn)的距離上檢驗量子力學(xué)非定域特性，并探索對相對論效應(yīng)、量子引力等物理學(xué)基本原理的檢驗。
《科學(xué)新聞》：您曾在接受媒體采訪時提到過“科學(xué)研究不僅要仰望星空，也要腳踏實地”，科學(xué)家不僅要關(guān)注原始創(chuàng)新，也要鼓勵成果轉(zhuǎn)化，服務(wù)于國計民生。其實以量子科學(xué)實驗衛(wèi)星為代表的“空間科學(xué)先導(dǎo)專項”正是“仰望星空、腳踏實地”的科研項目典范。您認(rèn)為在空間科學(xué)發(fā)展方面剛剛起步的中國，應(yīng)該如何延續(xù)此類專項，進一步推動我國空間科學(xué)發(fā)展與社會科技進步？
潘建偉：我國以往的空間計劃中，包括國防部門的衛(wèi)星及載人航天任務(wù)、工信部的軍民兩用任務(wù)等，大多是為了應(yīng)用的目的，以科學(xué)家為主導(dǎo)的、特別是以基礎(chǔ)研究為目的的項目尚未形成專門系列。基礎(chǔ)和應(yīng)用從來都是相輔相成的，比如我們從事的量子信息研究，正是起源于對量子力學(xué)基本問題的研究，隨著量子調(diào)控技術(shù)的進步而產(chǎn)生了包括量子通信在內(nèi)的量子信息科技；在推進量子通信技術(shù)的實用化過程中，產(chǎn)生了發(fā)射衛(wèi)星的需求，使得我們進一步發(fā)展技術(shù)，而星地量子通信又為更加深入地檢驗量子力學(xué)的基本原理提供了平臺；量子科學(xué)實驗衛(wèi)星發(fā)射成功后，又可以推動空間光跟瞄、空間微弱光探測、空地高精度時間同步、小衛(wèi)星平臺高精度姿態(tài)機動、高速單光子探測等技術(shù)的發(fā)展，如此形成一個良性循環(huán)。
中科院“空間科學(xué)先導(dǎo)專項”是我國首個以科學(xué)家為主導(dǎo)的衛(wèi)星項目系列，它充分體現(xiàn)了國家對科技創(chuàng)新的高度重視：創(chuàng)新就要從源頭抓起�？臻g科學(xué)專項起到了一個非常好的示范作用，我建議國家設(shè)立專門的空間科學(xué)系列任務(wù)，源源不斷地為科學(xué)家的原始創(chuàng)新提供平臺，這不僅將推動科學(xué)研究的進步，也最終會促進社會經(jīng)濟的發(fā)展，從根本上提升我國的綜合國力。
《科學(xué)新聞》：中科院作為科技國家隊，承擔(dān)著我國一系列重大科研攻關(guān)項目，而空間科學(xué)先導(dǎo)專項又推出了我國迄今為止最大規(guī)模的空間科學(xué)衛(wèi)星計劃。在您看來，由中科院來承擔(dān)此次先導(dǎo)專項的重大任務(wù)，這其中是否具有一定的必然性？
潘建偉：空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)是一個龐大的系統(tǒng)工程，需要各方面的緊密合作，而中科院系統(tǒng)則具有天然的優(yōu)勢。以量子科學(xué)實驗衛(wèi)星為例，需要高亮度的量子光源來確保光子經(jīng)過整個大氣層的損耗后仍能收到足夠多的事件，地面站與高速運動的衛(wèi)星間需要高精度的捕獲與跟瞄，整個過程需要高精度的時間同步等，涉及空間工程技術(shù)、電子學(xué)控制技術(shù)、材料工藝、光電技術(shù)等各項關(guān)鍵技術(shù)的集成以及量子光學(xué)、量子電子學(xué)、非線性光學(xué)等多學(xué)科的交叉。
中國科大團隊經(jīng)過多年的積累，在光量子的產(chǎn)生、傳輸、探測方面已有國際領(lǐng)先的技術(shù)，同時中國科大自身也具有多學(xué)科交叉的良好環(huán)境；中科院上海技術(shù)物理研究所在空間高精度捕獲、跟瞄方面具有很強的實力；中科院微小衛(wèi)星工程中心可以提供衛(wèi)星平臺；中科院光電技術(shù)研究所具備地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的研制能力；國家天文臺、紫金山天文臺在各地已有觀測站。在中科院的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，這些院屬單位可以快速深入地開展合作，其它幾顆衛(wèi)星我想也具有類似的條件。因此，由中科院來承擔(dān)空間科學(xué)專項，是最為有效的。■