■潘建偉
近日，在世界最大的綜合性科學(xué)組織——美國科學(xué)促進會2019年的年會上，中國“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星團隊被授予克利夫蘭獎。作為該團隊的領(lǐng)軍人物，物理學(xué)家潘建偉曾經(jīng)這樣講述自己的成才之路。
我是浙江東陽人。初中剛剛接觸物理時，我就發(fā)現(xiàn)這門學(xué)科比較適合我。我這個人記性較差，背英語單詞有些困難，物理對我來說則很簡單，不需要死記硬背。我還記得初三暑假，我躺在床上，物理教科書像放電影一樣一頁頁在我腦海中閃過。
1987年，我參加了高考。當(dāng)時我糾結(jié)的是學(xué)經(jīng)濟管理還是學(xué)物理，我想學(xué)物理，又怕將來難以養(yǎng)家糊口。父母安慰我說：“我們有退休工資，你不用擔(dān)心?！?br data-filtered="filtered">
于是，我報考了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系，進入了物理學(xué)的殿堂。牛頓力學(xué)、電動力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)等學(xué)科我都學(xué)得不錯，但是大三的量子力學(xué)把我搞糊涂了。傳統(tǒng)的牛頓力學(xué)有點像決定論，原則上一切東西都可以計算出來，比如一旦確定了初始條件，你可以預(yù)知物體的位置、軌跡等。但量子力學(xué)的很多觀念和經(jīng)典物理學(xué)完全不一樣，它有我們熟悉的確定性和必然性，又有不確定性以及或然性。量子力學(xué)的奇特之處在于，微觀世界里一個微小粒子，在特定條件下能同時既在桌上又在地上，既在北京又在上海，就像孫悟空會分身術(shù)一樣，這種現(xiàn)象被稱為“量子疊加”。當(dāng)把量子疊加擴展到兩個粒子時，就會出現(xiàn)“量子糾纏”現(xiàn)象，處于糾纏態(tài)的粒子即使相隔很遠，當(dāng)對其中一個進行測量改變其狀態(tài)時，另一個狀態(tài)也會即刻發(fā)生相應(yīng)的改變。
這簡直太奇怪了，我無法理解量子世界的這些特性，苦苦思索以至于疏于做題，期中考試差點沒及格。我被量子力學(xué)深深地吸引，集中研究和總結(jié)了量子世界的各種佯謬，寫進了本科畢業(yè)論文。做本科論文時，我得到一個結(jié)論：如果量子糾纏在往兩邊送的時候，中間被人偷偷測量過，兩個粒子之間的糾纏就消失了。這種特性能提供一種安全的密碼分發(fā)手段，如果信息傳送中被人偷看過，就會影響糾纏關(guān)系，從而被傳遞者發(fā)現(xiàn)，這其實就是量子保密通信的基本原理。
量子力學(xué)的奧秘相當(dāng)深邃。量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一玻爾說，如果學(xué)了量子力學(xué)后，你不覺得奇怪，不覺得不可思議，不犯糊涂，那你根本就沒學(xué)懂。著名物理學(xué)家理查德·費曼則直截了當(dāng)?shù)卣f，世界上沒有一個人懂量子力學(xué)。后來我想，既然量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論短時間內(nèi)無法取得突破，不妨先做實驗驗證已有的理論是否正確。
20世紀90年代中期，我碩士畢業(yè)。當(dāng)時中國的經(jīng)濟已有所發(fā)展，但國家依然沒有足夠的財力來建設(shè)實驗室，如果想做量子物理實驗，需要到國外留學(xué)。1996年，我到了量子力學(xué)研究的重鎮(zhèn)奧地利因斯布魯克大學(xué)攻讀博士學(xué)位，師從量子實驗研究的著名學(xué)者安東·塞林格。我至今仍清晰地記得第一次見到塞林格教授時，他問我未來的計劃是什么，我回答：“在中國建一個和您的實驗室一樣的世界一流的量子光學(xué)實驗室?！?br data-filtered="filtered">
1997年，我們成功地把一個粒子的狀態(tài)從一個地方傳到另外一個地方，但是這個粒子本身并沒過去。這就像科幻故事里的星際旅行一樣，這邊的人消失了，然后在那邊重構(gòu)出來，這樣的研究結(jié)果太讓人興奮了。我們的工作報告發(fā)表在《自然》雜志上，后來被認為是量子信息實驗領(lǐng)域的開端之作。這一工作同時被美國物理學(xué)會、歐洲物理學(xué)會和《科學(xué)》雜志評為年度十大進展，并被《自然》雜志在其特刊選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。
這項工作堅定了我從事量子物理實驗研究的信心。
2008年，在完成了充分的技術(shù)積累后，我放棄了在海德堡大學(xué)的職位，回國工作，同時把自己在海德堡大學(xué)的實驗室搬回科大。搬家清單足足列了120頁，大到激光器，小到12毫米鏡片，全都帶回來了。德國《明鏡周刊》采訪我，問我為什么回去，我說我喜歡研究科學(xué)，我也很愛中國，既然能在自己的國家做研究，當(dāng)然要回去。
2016年8月16日，我國發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”，之后成功實現(xiàn)了三大既定科學(xué)目標(biāo)——在國際上率先實現(xiàn)千公里級星地雙向量子糾纏分發(fā)、千公里級星地高速量子密鑰分發(fā)和千公里級地星量子隱形傳態(tài)，這些原理性實驗都證明了利用衛(wèi)星平臺進行遠距離甚至全球化的量子通信是可行的。
目前，量子計算技術(shù)依然處于實驗階段，估計還要二三十年才能實用化。量子保密通信則已經(jīng)進入了實用化階段，我希望未來能發(fā)射3-5顆低軌道衛(wèi)星和一顆高軌道地球同步衛(wèi)星，構(gòu)建完整的空地一體廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)體系，并且與通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫鏈接，廣泛、深入地服務(wù)于國家信息安全。
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