近日，光量子計算和大尺度光量子信息處理兩項成果雙雙入選中國科學院“率先行動”計劃第一階段59項重大科技成果及標志性進展。

8月16日，世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”迎來4歲生日。在距離地球500公里的軌道上，這顆超期服役2年的“老”衛(wèi)星仍然捷報頻傳。

6月15日，中國科學院院士、中國科學技術大學教授潘建偉領銜的合作團隊在《自然》發(fā)表論文，在國際上首次實現了基于糾纏的無中繼千公里級量子保密通信。這也是“墨子號”4年間產生的第5篇《自然》《科學》論文。

隨著一項項科學實驗的成功，衛(wèi)星量子通信的應用前景日益清晰。

戰(zhàn)略布局占先機

7月23日，美國能源部公布報告，規(guī)劃了美國“量子互聯網”戰(zhàn)略藍圖。歐盟早在2016年也提出過“歐洲量子技術旗艦計劃”，打算用10年建成量子互聯網。

可喜的是，我國在這一領域，相關基礎研究和工程技術水平都處于國際引領地位。

今年3月，我國科學家剛剛創(chuàng)造了光纖量子通信509公里的新紀錄。同時，“墨子號”保持著星地之間1200公里量子通信的世界紀錄。“墨子號”和“京滬干線”的成功實施，構建了國際首個天地一體的廣域量子通信網絡雛形。

之所以能“起個大早、趕個早集”，得益于潘建偉的戰(zhàn)略眼光與布局。

量子科技研究主要集中在量子通信、量子計算和量子精密測量等領域，有多光子糾纏、光量子計算、超冷原子量子模擬、光晶格量子模擬、量子中繼器等諸多方向。這么多學科方向，一個人不可能包打天下。從單槍匹馬到帶領一支近百人的團隊，潘建偉用了10多年時間。

本世紀初，量子科技在中國還頗為冷門。潘建偉也面臨著學科方向不被理解、申請經費四處碰壁的困境。在人手緊缺的情況下，他卻果斷地把優(yōu)秀學生紛紛送走。德國海德堡大學、奧地利因斯布魯克大學、美國斯坦福大學、英國劍橋大學、瑞士日內瓦大學……這些量子科學和技術頂尖團隊所在地，都留下了潘建偉弟子學習的身影。如今，各研究室獨當一面的負責人正是當年那些漂流四海的年輕人。

“墨子號”量子糾纏源分系統主任設計師印娟的成長路線卻略有不同。2002年，大二結束的暑假，印娟來到潘建偉實驗室，成為實驗室第一位女生，從此再沒有離開。2017年，“墨子號”千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)實驗成功，以封面論文的形式發(fā)表在《科學》，印娟成為團隊里第一個同時擁有《自然》和《科學》第一作者身份的科學家。

善于布局，也安心等待。這樣的一支團隊，一出手就是“大”成果不足為奇。

敢想敢干出奇跡

“墨子號”科學應用系統主任設計師任繼剛，至今仍清楚地記得讀博時第一次聽潘建偉作報告的情景。“太神奇了，就像聽一個科幻故事。”他回憶說。

在場的很多人可能也跟任繼剛一樣，把量子科技當成科幻故事。而作報告的那個人卻是認真的。

2003年，潘建偉陷入量子通信研究瓶頸。由于光子在光纖傳輸時損耗太大，傳輸100公里只剩下1%的信號到達接收端。而外太空因為幾乎真空，光信號損耗非常小，潘建偉破天荒地提出了“上天”這個“大膽且瘋狂”的方案。

當時，他向博士生彭承志科普量子通信的發(fā)展前景，當說到需要通過太空實現長距離傳輸時，彭承志認為“這是一個遙不可及的夢想”。他問潘建偉：“這個事，是不是挺牛的？”潘建偉想了想，很肯定地回答：“肯定牛，是世界上最牛的，至少是之一。”

帶著這樣的信念，他們在合肥大蜀山山頂開始了第一個實驗，于2005年實現了13公里的量子糾纏分發(fā)。這個傳輸距離超過了大氣層的等效厚度，從而證實了遠距離自由空間量子通信的可行性。

2009年，團隊在青海湖開展百公里量子糾纏分發(fā)實驗。當時，團隊里的3位主力——2007年博士畢業(yè)的任繼剛、2009年博士畢業(yè)的印娟、2010年將要博士畢業(yè)的廖勝凱，后來分別成為“墨子號”3個分系統主任設計師。

島上通信信號極差，幾位年輕人沒什么消遣，晚上做實驗，白天借著搭建的無線網橋開例會。2012年，團隊在國際上首次實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。

2017年，利用“墨子號”，他們將量子糾纏分發(fā)的距離再提高一個量級，達到1200公里。

從大蜀山的13公里到天地間的上千公里，潘建偉團隊一步一個腳印，從無到有地驗證了量子通信的可行性。

“率先行動”很給力

中國科學院院士、科技部原部長徐冠華曾公開指出，我國對自身科學研究能力不自信，“在科技項目的確定過程中，習慣于拒絕支持有爭議的項目，排斥沒有國外先例的研究”。

當年的潘建偉，面對的就是這樣的窘境。

2003年，潘建偉首次提出利用衛(wèi)星實現自由空間量子通信的構想。這個“前無古人、聞所未聞”的想法立即遭到多方質疑：量子信息科學，歐洲美國都剛剛起步，我們?yōu)槭裁船F在要做？

這個“不靠譜”的計劃卻獲得了中國科學院的支持。2011年底，中國科學院空間科學先導專項正式立項“量子科學實驗衛(wèi)星”，自此打開了量子世界的大門。

2014年，中國科學院啟動實施“率先行動”計劃，給“墨子號”研制團隊帶來了“集團軍”的支持。當年10月，中國科學院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心率先成立，2017年5月更名為量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院。這使得中國科學技術大學同中國科學院上海技術物理研究所、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術研究所等都有了更加緊密的合作關系。

中國科學院上海技術物理研究所研究員、量子科學實驗衛(wèi)星工程常務副總師王建宇曾比喻稱：星地間量子糾纏分發(fā)的難度，就像在太空中往地面的一個存錢罐里扔硬幣，而且天空中的“投擲者”相對地面上的“存錢罐”還在高速運動。

在“率先行動”計劃的支持下，這樣一項看似“不可能的任務”最終順利完成。“我們的合作體現出了創(chuàng)新研究院的價值，那就是集中力量干大事。”潘建偉說。

中國科學院院長、黨組書記白春禮評價稱，“墨子號”為中國在國際上搶占了量子科技創(chuàng)新制高點，成為了國際同行的標桿，實現了“領跑者”的轉變。

天時、地利、人和，量子團隊的下一個“驚喜”也許很快就會到來。