中國量子信息的“冷板凳”是如何坐熱的？

一門新科學，一個新領域，一種新理論，在形成、發展的早期，大多避免不了“冷門”階段，只有出於對科學的強烈興趣與求知的強大動力，頑強拼搏者，才能比別人早一步摘得科學的碩果。

中國量子信息科學於20世紀90年代起步。在二十多年間，中國科學家在該學科的多個方面取得了系列成果，如今已活躍於國際最前沿。本文從個人、單位、國家幾方面回顧了這段歷史。

量子信息科學與技術是當今最前沿的學術領域之一，是量子物理與信息科學的交叉學科，主要包括量子計算、量子通信、量子密碼學等分支。

通常所說的量子通信是指量子密鑰分發（也稱爲量子保密通信），是目前最接近實用化的量子信息技術。

以量子糾纏爲中心，物理學家在理論與實驗方面進行了多年的探索，與量子信息相關的科學與技術日益被重視。多個國家先後啓動了量子通信工程建設或正在醞釀着量子通信研究計劃。

20世紀八十年代

量子光子在中國興起

1983年，第五屆國際量子光學會議在美國羅徹斯特大學召開，郭光燦、彭堃墀、吳令安等7位華人學者參加了此次會議。會議期間，他們相約以後一起發展中國量子光學。

在羅切斯特大學合影，照片由吳令安提供

1984年8月，郭光燦利用從學校（中國科大）申請到的2000元錢，組織召開了第一次量子光學會議——這是中國量子光學發展的起點。此後，量子光學會議每兩年召開一次，延續至今。

同年，彭堃墀、謝常德夫婦回國後組建了山西大學光電研究所，該所先後被批准爲山西省、教育部重點實驗室。

1990年，量子光學專業委員會的成立也離不開郭光燦等人的努力。

彭堃墀、謝常德夫婦

出於興趣，郭光燦很早就開始了量子光學的探索。在召開學術會議之外，他從事了量子光學的教學工作，中國科大本校及代培的很多研究生正是在郭光燦的課堂上接受了量子光學的教育。

郭光燦

20世紀九十年代

萌芽階段的量子信息研究

當量子信息這一新興學科在國際上萌發之時，郭光燦敏銳地意識到量子信息的發展前景，於是以量子密碼爲切入點展開研究。

20世紀90年代，郭光燦團隊取得了多項研究成果。1997年，他與博士研究生段路明合作提出了量子避錯編碼的方法。

次年，他們又提出了量子概率克隆原理，隨後成功研製了兩類量子克隆機，被國際同行稱爲當年該領域最激動人心的一項進展。

1995年，歸國後的吳令安，在實驗室完成了量子密碼通信的原理性實驗——這是中國最早的量子密鑰分發實驗演示。

吳令安

這一時期，潘建偉在中國科大碩士畢業後赴奧地利茵斯布魯克大學攻讀博士學位，師從蔡林格。

期間，他參與了量子隱形傳態原理性實驗驗證工作，研究結果發表於英國《自然》雜誌，潘建偉是論文的第二作者。

該文於1997年分別被歐洲物理學會、美國物理學會評爲國際物理學十大進展之一，1999年被《自然》譽爲“百年物理學21篇經典論文”之一。

潘建偉

杜江峰於1985年考入中國科大少年班。

1998年，正在攻讀博士學位的他選擇將量子信息作爲研究方向，致力於用核磁共振方法進行量子計算研究。

當時的他既無實驗條件又無科研經費，在學校科研平臺的幫助下，他成功完成了自己的實驗研究。

杜江峰

重要轉折點

“量子通信與量子信息技術”

1998年，在錢學森、王大珩的支持下，郭光燦在香山科學會議上作了關於量子信息的主題報告，引起了國內學術界的重視。

1999年，郭光燦在中國科大建立了量子通信與量子計算開放實驗室，兩年後，該實驗室成爲中科院重點實驗室。

2001年，郭光燦連續申報了幾年的國家重點基礎研究發展計劃（科技部973 計劃）項目獲批。該項目的實施成爲中國量子信息研究的重要轉折點。

“量子通信與量子信息技術”項目由郭光燦任首席科學家，研究重點包括量子密碼、量子因特網、量子計算和量子信息物理學等。至2006 年9月項目驗收，先後有252人蔘加了該項目的研究。

來源：自然科學史研究

就在郭光燦973項目申報成功這一年，杜江峰申請到了國家自然科學基金面上項目“混合量子態糾纏現象研究”。

2004年他又成功申請基金委傑出青年基金項目“經典物理學和量子理論”。

也是在2001年，潘建偉回到了中國科大，開始組建自己的量子物理與量子信息實驗室。

同時，潘建偉還“兩邊跑”，在維也納大學從事多光子糾纏合作研究。期間完成的“自由量子態隱形傳輸”實驗被歐洲物理學會評爲2003年國際物理學十大進展之一。

爲了彌補團隊在量子存儲技術方面的短板，2003年7月，潘建偉以客座教授的身份到德國海德堡大學從事相關研究，以期將超冷原子技術引入國內。

期間，潘建偉吸引了國內多位年輕學者，並派出多位青年學者到國外量子信息研究領域某個方向國際領先的學術機構進行學習與研究。

2008年10月，在量子存儲與量子中繼技術領域已處國際領先的潘建偉團隊，連同其在海德堡大學的4個實驗室的裝置，整體迴歸中國科大。到2011年，潘建偉所派出的學生全部按計劃回國。

來源：自然科學史研究

表現突出的中國科大

無論在量子密碼、量子計算、量子通信，還是在量子信息的其他方面，中國科學家的工作比起國際同行都已不算遜色。

如今，郭光燦、杜江峰、潘建偉3 位工作於量子信息領域的物理學家、中國科學院院士（分別於2003年、2015年、2011年當選），被公衆以他們的姓氏漢語拼音首字母戲稱爲中國科大的“GDP”。

郭光燦團隊的規模和實力仍隨量子信息科技的發展而不斷壯大。

在量子保密通信實驗探索方面，郭光燦團隊取得了諸多進展：實現了國際上量子密鑰分發的最長距離；設計出國際上首個量子路由器；完成世界上首個無中轉、任意互通的量子密碼通信網絡；建成世界首個量子政務網，用於傳送保密文件等。

此外，製備八光子糾纏態、實現保真度達99. 9%的光子偏振態的固態量子存儲工作等也均達到世界領先水平。

今年，由郭光燦團隊所創辦的合肥本源量子計算科技有限責任公司研發出了中國首個量子計算機操作系統“本源司南”，於2月8日正式發佈。

2001年回國組建團隊以來，潘建偉在多光子糾纏與干涉和量子力學基礎檢驗、量子信息處理關鍵技術和重要算法、面向實用化保密量子通信的光量子傳輸等多個方面取得了系列成果。

2016年，以潘建偉爲首席科學家的“墨子號”量子科學實驗衛星成功發射。

2017年，該團隊承擔的量子保密通信“京滬幹線”開通。

同年，潘建偉團隊聯合其他研究組利用“墨子號”在國際上率先實現千公里級星地雙向量子糾纏分發，並在此基礎上實現了空間尺度嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗，且實現了千公里級星地量子密鑰分發和量子隱形傳態。

“墨子號”量子科學實驗衛星 來源：中科院國家空間科學中心

2020年，潘建偉團隊及其合作者構建了76個光子的量子計算原型機“九章”，實現了具有實用前景的“高斯玻色取樣”任務的快速求解，從而成功達到了量子計算研究的第一個里程碑：量子計算優越性（國外亦稱“量子霸權”）。

“九章”量子計算原型機光路系統原理圖（製圖：陸朝陽，彭禮超）

今年，潘建偉團隊及其合作者成功驗證了構建天地一體化量子通信網絡的可行性，綜合通信鏈路距離長達4600公里。

集成的天地一體化量子通信網絡圖解 來源：Nature

杜江峰一直致力於基於磁共振技術的量子計算及相關基本物理問題的實驗研究。

團隊的研究進展包括：首次實現量子博弈實驗研究；首次實現最優動力學解耦方案；使用最新量子操控技術，實現了單分子磁共振的突破等。

2019年，杜江峰團隊研究了量子系統中由非厄米哈密頓量所支配的演化規律，在世界上首次在單自旋體系中觀測到宇稱時間對稱性破缺。杜江峰由此被評爲“2019年中國科學年度新聞人物”。

通過量子調控，加入核自旋輔助比特“小明”，引導着小莉完成美妙的雙人舞蹈，實現了量子世界中的宇稱時間對稱構建。（王國燕、陳磊設計）

中國量子信息

何以起步晚、進步快？

在科學後發國家，發展科學離不開向發達國家學習、參與國際交流的過程，在此基礎上，發展中國家應根據學科領域國際發展態勢，結合本國科學發展的環境因素，審時度勢、搶抓機遇，通過合理組建人才團隊、科學選擇突破方向、爭取外部支持，做出更多原始創新。

正是由於國家的重視，科技部、中科院、基金委的支持，才使得量子信息這一發展性學科在中國獲得超乎尋常的發展。

中國量子信息科技在中國的起步離不開郭光燦、彭堃墀、吳令安等先行者在國內從無到有、從量子光學到量子信息的開拓、探索，尤其是郭光燦團隊早期幾項重要成果的產出及此後973 項目的申報成功。

事實上，無論是郭光燦在20 世紀80 年代開始的量子光學研究，還是在90 年代率先投入其中的量子信息研究，在國內都是“冷門”，不僅不被看好，還遭人排斥、反對。但他始終自己的選擇，沿着“冷門”一往無前，最終開拓出一片新天地，“冷門”逐漸變成了“熱門”。對於他而言，不畏“冷門”、勇於開拓新的領域及其重要。

而潘建偉所參與的世界前沿工作及其團隊一系列科研成果，對中國相關領域起到了很好的引領、示範作用，對於量子信息科技在中國的發揚光大發揮了重要的、積極的影響。

值得一提的是，中國科大培養了一批優秀的量子信息領域專家也並非偶然。

該校一向秉承自由、開放、創新、包容的傳統，關注“冷門”領域，信任、支持青年學者，有濃厚的學術氛圍與開放的學術平臺。此外，學校在考慮學科發展時，能夠打破傳統障礙，最大限度地聚集資源、培育新學科。

中國量子信息研究雖然介入稍晚，但在國家的支持和衆多科學家的努力下，做出了在本階段引領國際前沿發展的諸多重要貢獻。這不僅給廣大科技工作者以啓發與激勵，也爲發展中國家前沿科技領域的發展提供了一個可資參考與借鑑的範例。

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作者簡介：丁兆君，中國科學技術大學，研究方向爲物理學史。

《科技導報》創刊於1980年，中國科協學術會刊，主要刊登科學前沿和技術熱點領域突破性的成果報道、權威性的科學評論、引領性的高端綜述，發表促進經濟社會發展、完善科技管理、優化科研環境、培育科學文化、促進科技創新和科技成果轉化的決策諮詢建議。常設欄目有院士卷首語、智庫觀點、科技評論、熱點專題、綜述、論文、學術聚焦、科學人文等。

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