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潘建伟：六个世界首次
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潘建伟教授在进行量子纠缠实验在短短几年里，中国科大的一个人数不多的研究小组竟然能够在世界顶级学术刊物发表36篇论文，对于高水平论文非常稀缺的中国科学界来说，是极为罕见的。在当今中国，发表一两篇高质量、原创性的论文可能并不稀奇，但在竞争激烈的世界科学的前沿牢牢地占据一个立足点乃至制高点，是弥足珍贵的。而这个小组的领军人物潘建伟教授才仅仅36岁。 第六个“世界首次” 在刚刚过去的10月，中国科技大学潘建伟教授领导的小组成了首次在《自然·物理》杂志发表封面文章的中国科学家。在这项最新成果中，潘建伟和杨涛、张强等人首次实现两粒子复合系统量子态隐形传输，并在实验中实现了对六光子纠缠态的操纵。 该项成果是“在大尺度量子通信研究中取得的长足进展。”《自然》杂志网站称赞道。“这是为装备量子效应在通讯和计算中的应用提供了新的方法。这种量子态隐形传输技术在将来的某一天使得强大的量子计算机成为可能。” 这是潘建伟小组在量子通信领域内取得的第六个“世界首次”。 “他的工作对于一般人来说是难以理解的，不然会感到更强的震撼力。”中国科技大学校长朱清时院士介绍说，潘建伟教授进行着最前沿、最具原创性的基础研究，研究每年都有突破，显示出很强的创新能力。 “现在为了对一个500位的阿拉伯数字进行因子分解，目前最快的超级计算机将耗时上百亿年，而量子计算机只需大约几分钟。人们一旦拥有了一台量子计算机，目前的密码系统将很快破解，毫无保密性可言！”中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室教授陈增兵的话语中充满了自信。 量子信息专家郭光灿院士则指出，量子通信在未来的国家信息安全方面具有重要意义，谁掌握了这个手段，谁就掌握了先机。 弥足珍贵的领先 在国内学术界对量子通信领域的研究还很陌生的时候，1999年，潘建伟有关实现未知量子态的远程输送的研究成果，同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果，一起被著名的《自然》杂志评为“百年物理学21篇经典论文”。那一年，他才29岁。 近几年来，潘建伟和他的研究小组的多个“世界首次”让世界同行感到惊奇。2004年，当潘建伟、杨涛等人关于“五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输”的论文发表后，研究成果同时入选欧洲物理学会和美国物理学会的年度十大进展。 数一数潘建伟发表的论文，就可以从侧面证明他在该领域具有的核心竞争力：《自然》杂志8篇，《自然·物理》杂志（封面）1篇，《物理评论快报》27篇，均属于顶级的学术刊物。在短短几年里，一个人数不多的研究小组竟然能够在世界顶级学术刊物发表36篇论文，对于高水平论文稀缺的中国科学界来说，是极为罕见的。这也说明，潘建伟小组在量子通讯领域的某一方面的确是具有世界领先水平的。在当今中国，发表一两篇高质量、原创性的论文可能并不稀奇，但在竞争激烈的世界科学的前沿牢牢地占据一个立足点乃至制高点，是弥足珍贵的。 2005年潘建伟还荣幸地被综述杂志《现代物理评论》（影响因子高于《自然》）邀请撰写综述文章，这是我国实验物理学家在《现代物理评论》上撰写的第一篇文章。能够被邀请在如此权威的学术杂志上撰写综述文章，意味着作者该领域所享有的声望与权威性。 潘建伟的合作伙伴陈增兵教授还告诉记者一个小秘密：现在他们刚进行了操纵六个光子（小的量子计算机）进行量子计算的实验，这个研究进展还没有公开发表。与五光子纠缠相比，六光子纠缠的实验难度是呈指数增长的。如果这一实验结果公布，将成为潘建伟和他的团队的第七个“世界首次”，也必将令世界量子信息研究同行为之侧目。 不怕输的精神 取得这一连串骄人成绩的潘建伟今年才36岁，个头不高，给人一种亲切、质朴的印象。记者与他不期而遇，是他在北京参加完第六届“中国青年科学家奖”颁奖仪式回到中国科技大学的第二天。 1970年3月出生在浙江东阳的潘建伟，从小却是个爱玩的孩子。他曾对别人说，父母从小就很重视对他能力的培养，从不限制他做什么，他可以做自己感兴趣的事。 “感谢我的父母把家搬到了县城，因为到了初中，才发现在农村小学语文基础很差，英语根本就没有学过，初中后才第一次写作文，结果班主任老师只给了40分，当时我是班长，觉得很羞愧。但我有一种不怕输的精神，为了把英语学好，把同学约到家里来学，向老师请教，进步非常快。语文、英语就在那时打下了基础。”潘建伟说。 到了中国科技大学，他更有机会接受全面的教育。“当时班上高考状元就有7个，同学们的素质都很高，我从同学们那里学到了很多，对音乐的浓厚兴趣，就是受大学同学的影响。全面发展对我的人生起了很大的作用。” 他很擅于向别人学习，同时保持着良好的心态。他认为，做自己喜欢的事是需要有耐心的，欲速则不达。“我愿意循序渐进地学习、工作。成功了，当然很高兴；不成功，也不觉得失去了什么。我一直很努力，但不拼着命学。” 潘建伟是爱因斯坦的崇拜者，在大学时就喜欢阅读《爱因斯坦文集》。“爱因斯坦的散文是最深刻、最美的，让我坚定了研究物理的决心。让我感觉从简单的事实后面可以找到一个规律，现在、将来不会变。” 1987年至1995年，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，导师是量子力学的世界级大师塞林格。他从老师那里不断地获取量子信息前沿领域的最新知识，同时，潘建伟敏锐地洞察到这一学科未来必有大的发展，便及时追踪国际前沿，走出了自己的研究道路。 “幽灵般的相互作用” 量子纠缠，被爱因斯坦称为“遥远地点间幽灵般的相互作用”，现在科学家用真实的实验证实了爱因斯坦的想象。为了认识和促进光子之间纠缠状态，潘建伟同国内及德国、奥地利专家合作，对这一世界性难题研究了近十年。 郭光灿院士对量子纠缠概念做了如下的描述：量子纠缠是光子间的神秘的联系，奇妙在其中的一个光子经过测量就可以了解另外一个光子的状态；光子纠缠是一个整体，两个光子作为一个整体来看时如果试图窃听或偷走其中一个光子的信息，你将任何信息都得不到。这是另外一个特性，这就是其保密安全性所在。 但由于在量子通信通道中存在种种不可避免的环境噪声，“量子纠缠态”的品质会随着传送距离的增加而逐渐降低，导致量子通信手段目前只能停留在短距离应用上。 2005年，当潘建伟与杨涛、彭承志等同事们发表了题为“13公里自由空间纠缠光子分发：朝向基于人造卫星的全球化量子通信”的研究论文后，13公里———这个目前国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离，其纠缠的特性仍然能够保持的实验结果，让人们开始思考实现全球化的量子通信的可能性。 一个年轻、成功的团队 2001年起，潘建伟在中国科技大学负责组建了量子物理和量子信息实验室，该实验室现在已经成为筹建中的合肥微尺度物质国家实验室的重要组成部分。“中国科技大学很早就比较重视量子信息研究，因为有学校的支持，我们才能够深入做下去。” 回忆2001年实验室组建之初的情景，潘建伟至今记忆犹新。“当时申请的经费是200万元，而中科院基础科学局拨了400万元，在中科院基础科学局、国家基金委支持下，让我们从无到有，很快，设备、人员就到位了。” 潘建伟和他的团队成员都是30岁左右的青年学者，1969年出生的杨涛教授是年龄最大的一位，杨涛教授介绍说：“五个教授虽然学科背景不同，但大家在一起工作很愉快。潘建伟在理论和实验领域都有研究，我的学科是电子学，陈增兵、郁司夏偏重于理论，杜江峰研究核磁共振和量子博弈，我们的知识是互补的，在学科交叉中才有新的生长点。” 量子物理与量子信息研究部有5个教授，1个副教授，2个博士后，2个博士，培养的硕士、博士生30个。研究部在微尺度物质国家实验室中是人数最少的一个，而团队合作却是充满活力和高效的：2001年开始组建，2002年就有成果，到2003年的时候，在量子通信领域实验研究已经有了很大进展。 在团队里，潘建伟是一个出色的领导者和组织者。他的同事陈增兵教授说，潘建伟很有激情，很会鼓励大家愉快地工作。作为一位领军人物，他的眼光独到，具有前瞻性。 陆朝阳是潘建伟的博士生。在他眼里，潘老师和蔼、亲切，第一次见面就留下了深刻的印象。“我本来没有报他的研究生，和他交谈以后，我就修改了志愿。在这个团队最大的收获，是学会了如何做科研。” “我从来不限制他们，关键是激发并培养他们对研究问题的兴趣。这些学生都要送到国外去学习一段时间，从事一项事业，必须依靠团队的力量。”潘建伟了解国际量子通信的研究动向，积极推荐自己的学生到国外最领先的研究小组学习，潘建伟刚毕业的博士张强现在已经到斯坦福大学深造，陆朝阳也将不久前往英国剑桥大学，国外的研究小组都很乐意接纳他的学生。 良好的科研气氛，先进的设备，与国际前沿小组联系紧密，加上明确的目标和坚定的决心，年轻的潘建伟带领着年轻的团队，将我国多粒子纠缠态实验研究带入了国际领先水平。 女儿是最得意的成果 潘建伟的号召力，在中学时就体现出来了。高中毕业那年，喜欢探险的他鼓动了5个男生、4个女生骑车一起去雁荡山旅行。他们每人兜里只有10多元钱，每到晚上，他就拿着学校开的介绍信到当地学校请求住宿。对潘建伟来说，这5天的探险经历是非常开心和愉快的。同他一起探险的，有一位名叫楼小青的女同学，经常受到潘建伟的关心和照顾，后来，她成了潘建伟的终身伴侣。 楼小青一直默默支持他的事业，并随着丈夫科学探险的脚步到世界各地奔波。后来，楼小青还放弃在奥地利的经济学博士学位，成为专注于家庭的主妇。现在，他们有了一个2岁女儿，小名叫嘟嘟。潘建伟笑着说：“小孩是我最得意的成果，她什么时候长牙，什么时候走路，都是我关心的。”对他来说，一份自己热爱的事业，一个和睦的家庭，是同样重要的。 在德国海德堡，他经常到田野里散步，当发现山地里有野荠菜，他又像学生时代那样，一定要捡拾荠菜回来吃。记者发现，他是以自己特有的方式，为自己做一次心灵的放松、心灵的自由。放松之后，他又以饱满的精神投入到工作和学习中了。 整体发展才是最重要的 基于在未来20年内量子通信会有大规模运用，现在美国、欧盟、日本都非常重视这一领域。 郭光灿院士说，“在原创性研究领域，第二都是失败！中国人要在科学研究上争第一。从整体上讲，我国量子通信研究处于部分领先，整体发展才是学科建设最重要的因素。如果有更多的人多做一些事，经过10年、20年的努力，中国的国力就会有很大提高。” 量子信息研究正朝着量子密码、量子计算机、量子存储三个方向发展，目前潘建伟正在思考，如何让量子通信的整体研究能力得到提升。此时，在德国海德堡大学，潘建伟和国外同行进行着量子存储合作研究，因为进行量子通信研究，没有量子存储这个技术基础，研究将无法深入下去。 “我到德国海德堡大学参与合作研究，是为了学习量子存储技术，在那里可以提高自己，在量子存储研究方面，海德堡大学是世界四个最高技术小组之一。三年的合作研究，我们已经在量子信息存储研究方向上有了相当的技术积累。从明年开始，我的工作重心逐渐转移到国内，以期早日在国内完成量子信息传输技术和存储技术的综合。”潘建伟教授说。 ■相关 潘建伟小组的六个世界首次 ●1997－1998年，首次成功地实现了量子态隐形传送（1997）以及纠缠态交换（1998）； ●1999－2000年，首次成功实现三光子（1999）、四光子纠缠态（2001），并利用多粒子纠缠态首次成功地实现了G HZ定理的实验验证（2000）； ●2003年，首次成功地实现了自由量子态的隐形传送； ●2003年，首次实现纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验； ●2004年，首次取得五粒子纠缠态的制备与操纵； ●2006年，首次实现两粒子复合系统量子态隐形传输，并在实验中第一次成功地实现了对六光子纠缠态的操纵。 ■名词解释 量子纠缠量子纠缠是粒子间的神秘的联系，奇妙在其中的一个粒子经过测量就可以了解另外一个粒子的状态，一个粒子的变化都会影响另一个粒子，即两个粒子之间不论相距多远，它们是相互联系的；量子纠缠是两个（或多个）粒子的叠加态，这些粒子作为一个整体来看如果试图窃听或偷走其中一个光子的信息，你将任何信息都得不到。这是另外一个特性，这就是其保密安全性所在。 量子隐形传输量子隐形传输借助于两个粒子之间的纠缠作用，将待传输粒子的未知量子态传送到另一个地方。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息，通过纠缠来传送。接收者在获得这两种信息之后，就可制造出原物量子态的完全复制品。这个过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子（甚至可以是与原物不相同的粒子）处于原物的量子态上。原物的量子态在此过程中已遭破坏。 |
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