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躬耕不辍15年:潘建伟与量子的纠缠从未停止

2016-01-09 03:14
默菲
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    深夜,一盏孤灯在奥地利因斯布鲁克大学的实验室执着燃烧。他神情严肃,目光专注,大脑在量子的世界飞速旋转。

  量子力学的世界级大师塞林格看着这个勤奋的中国学生满是欣慰:“你的努力不仅是为自己,更是为国家!”

  他没有让老师失望。数年后,潘建伟在中国建立起世界领先的量子光学实验室,与团队一起创造了数个“全球首次”。15年来,他的团队先后六次获得欧洲物理学会、美国物理学会公布的“国际物理学领域十项重大突破”等耀眼荣誉。他的工作曾同伦琴发现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《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。2015年,中国科技大学潘建伟团队以“多光子纠缠及干涉度量”的研究成果问鼎国家自然科学奖一等奖。同时,其研究成果还荣获刚刚评选出的2015年国际十大科技新闻。

  “随着国家综合实力进步,长久的耕耘终到了收获的时候!”谈及此次获奖,潘院士的笑容质朴而从容。

  “让国家和老百姓享受科学成果”

  20世纪,随着计算能力提高,曾经坚不可摧的密码在窃听与黑客的攻击下不堪一击。据评估,相关犯罪每年会带给全球数千亿美元的经济损失。在潘建伟看来,突破信息安全的瓶颈对于保护公民和国家的机密资源至关重要。

  于是,他把目光投向量子纠缠。处于量子纠缠的两个粒子,无论相距多么遥远,对其中一个粒子的测量会瞬间改变另外一个粒子的状态,如果试图窃听或偷走任何一个粒子的信息,只会一无所获。

  这是迄今唯一安全的通信方式,核心是制备微观粒子并实现多粒子纠缠。

  然而,实验的进程却超乎想象地困难。激光管每秒钟发出的光子约有1016个,要把它们一个个分离出来,加载信息,再传输出去——仅是制造单光子已经阻力重重,更何况,潘建伟和他的团队还要进一步实现多光子纠缠。由于难度巨大,国际上对多光子纠缠的实验制备和操纵几乎一片空白。

  为了攻克这一世界性难题,潘建伟的项目组与之苦苦纠缠了近十年。2003年,团队终于实现四光子纠缠态,此后,又先后实现五光子(2004年)、六光子(2007年)、八光子纠缠(2012年),一直保持着纠缠光子数目的世界纪录。

  但新的问题也随之而来。在量子通信通道中,有种种不可避免的环境噪声,“量子纠缠态”的品质会随传送距离的增加而逐渐降低,这意味着量子通信只能停留在短距离应用上。

  2005年,潘建伟等人发表了题为“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”的论文,证明当纠缠光子分发的最远距离达到13公里时,其纠缠的特性仍然能够保持,向世人宣告全球化量子通信成为可能。

  目前,在国家发改委的支持下,项目组开始筹建“京沪干线”,预计将于2016年底建成连接北京和上海的广域光纤量子通信网络,与此同时,团队不久将发射首颗“量子科学实验卫星”,以初步构建我国“天地一体”的广域量子通信体系。

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