世界量子通信前沿的领跑人
——访中国科技大学教授潘建伟
2009年7月21日，中国科学技术大学又多了一个中心—量子工程中心。中心人不多，18个人；年龄不大，最大的出生于1969年。可是他们成就斐然：在世界上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子隐形传态；首次实现复合系统量子隐形传态；首次实现六光子纠缠；首次用光子比特实验演示质因子分解。这个中心的带头人就是今年5月7日建成了世界上首个光量子电话网的中国科技大学教授、39岁的潘建伟。近日，针对量子通信的发展前景等问题，本刊记者采访了潘建伟教授。
科学巨人的崇拜者
潘建伟1970年3月出生在浙江东阳，他从小的理想和爱好就是科学发现。伟大的科学巨人爱因斯坦正是潘建伟从童年开始就崇拜的偶像。上大学后，潘建伟经常把爱因斯坦的著作抱在胸前，双目微闭，似乎在与巨人对话。潘建伟因为喜欢爱因斯坦，同学就把爱因斯坦的姓“阿尔伯特”作为他的绰号，或者干脆简称他为“伯特”。他熟读了爱因斯坦所有的著作，希望有一天能破解爱因斯坦提出但未论证的理论。
潘建伟1995年获中科大理论物理学士和硕士学位后，到维也纳大学师从世界级量子力学大师塞林格攻读博士学位。1999年潘建伟在维也纳大学博士毕业时，就已经取得了不俗的成就：1998年其成果被美国《科学》杂志评为年度国际十大科技新闻；1999年其论文与爱因斯坦等世界著名科学家的论文一道入选《自然》杂志的物理学百年经典。
受母校中国科学技术大学邀请回国的潘建伟，在中国科大负责组建了量子物理和量子信息实验室。当时高校科研经费普遍紧张，潘建伟申请的200万元科研经费不是小数，而中科院基础科学局拨了400万元。在各方的大力支持下，设备人员都到位了，潘建伟的实验室迅速“开张”。
到了2003年，潘建伟在量子纠缠技术方面不需要再向任何国外专家请教。但此时量子存储成为量子信息领域的前沿，而这方面力量最强的是位于德国的海德堡大学。潘建伟又向母校发出申请：接受海德堡大学客座教授的聘书，在这里继续学习。
组建精英团队
潘建伟深知，量子信息集多学科为一体，要想突破，必须融合不同的学科背景。他开始为量子信息研究从各个专业寻找人才。
陈帅第一次见到潘建伟是在2003年5月。当时正在北大读博士的他到德国海德堡大学做交换学生。陈帅在国内的研究方向是冷原子物理，他的指导老师正是国际冷原子物理方面的权威—施米马尔教授。施米马尔建议陈帅去奥地利参加一个学术会议，并顺便找潘建伟谈谈合作的可行性。就这样，陈帅认识了潘建伟。两人谈得很投机，潘建伟欣赏陈帅的动手能力，当场对陈帅发出邀请：你快点毕业，毕业了我们一块做。
陈帅回到北大继续自己的博士课题。2004年年底，正在进行博士论文答辩的陈帅突然接到潘建伟的邮件：找到博士后位置了吗？到我这里来吧。2005年，陈帅拎着简单的行李，来到海德堡大学，加入潘建伟小组，从事量子存储的研究。
陈凯本科和硕士学的是理论物理，博士学的是量子信息与计算，在加拿大做博士后，跟随量子通信最优秀的专家学习。当选洪堡学者后，陈凯应邀来到洪堡基金会的总部波恩访问，在那里结识了潘建伟。
潘建伟还刻意培养了一批“好原料”：把国内实验室一批有科研潜力的学生招到国外一流大学读博士或者从事博士后的研究，他们当中很多人都换了专业，换了思维。
“海德堡大学原子学科科研力量非常强，我们在海德堡是借势，每个人都要经过一段修炼。我们不断地派人去学习，团队和研究领域不断扩张，不断在科学上占领制高点。但是我们也知道，一定要重点布局，不可能面面俱到。”陈凯说。
量子存储 未雨绸缪
2003年，量子信息研究的最高端领地是量子纠缠，量子存储的研究刚刚萌芽，很多人认为这很难操控。当时大家大多用操作光子来做量子信息的处理，但是光子不能存储，总是飞来飞去的。其中一个重要问题就是产生纠缠光子的手段是不确定的，这导致长距离通信与大规模光子处理中的资源消耗太大。如果能够在光子纠缠产生之后先加以存储，到用时再处理，就会非常有效地节省资源。
当时，量子存储做得最好的是哈佛大学、加州理工学院、佐治亚理工学院和麻省理工学院。在去海德堡大学之前，潘建伟小组没有做量子存储这一块的人员。
这一年，潘建伟来到海德堡大学，与施米马尔教授合作从事量子存储的研究。
2004年下半年，从事量子存储研究的“好原料”逐渐到位：奥赛冠军陈宇翱来了。2005年年初，陈帅到位。他们开始订购仪器，搭实验平台。1年后，做原子物理分子的苑震生从中国科大到了海德堡大学，再加上一个中国科大的学生赵博和一个德国学生，量子存储的框架搭起来了。
2005年，量子存储成了量子信息领域的大热门。未雨绸缪的潘建伟领着这帮年轻人开始做量子存储的实验了。第一年做实验，碰到不少问题：看别人的文章很明白，但是真正动手有很多细小问题。
陈帅是实验能手，感触最深：用光去激发原子，让原子发出单光子，再把单光子捞出来，形同大海捞针。这就等于10亿个单光子中，只有一个是有存储信息的。每个滤波的器件，都要精密的调节。不同的波段有不同的功能，每级做不同的功能。他们单是为了实现这个高品质的滤波就用了半年。用了大约一年半时间，潘建伟小组在量子存储方面没有任何建树。组员们也不着急，就在实验上慢慢探索。2006年4月初，几乎所有的问题都碰到了，所有的问题都解决一遍了，可还是不见成果。4月底，他们绝处逢生：看到了第一个实验信号，第一套系统运行成功。小组马上决定升级打造第二套，第二套系统只用了半年。2007年小组接连做了4个实验，其中两篇上了《物理评论快报》，一篇上了《自然物理学》，还有一篇上了2008年8月的《自然》杂志。
到了2008年，潘建伟可以很自豪地说，自己的小组是全世界做量子存储最好的小组之一了。潘建伟并不满足，他经常对小组成员说：“你在这个领域做得好，未来呢？如何占领下一个制高点？怎么能保持领先地位？”潘建伟经常很快地决断一个新工作领域，例如去开个会，听到一个新想法，发现这个东西能做后，在别人还没有反应时，潘建伟小组已经做完了。
建成世界首个光量子电话网
2009年5月7日，潘建伟领衔的科研小组在实用化量子通信方面取得了重大进展，建成了世界上首个光量子电话网。这标志着绝对安全的量子通信由实验室走进了日常生活，第一次真正展现了它的实用价值。
什么是光量子电话网？潘建伟说，量子通信是利用了光子(光的最小单位)等粒子的“量子纠缠”原理。在微观世界里，不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象叫“量子纠缠”，这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。科学家认为，这是一种“神奇的力量”，可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础，这被称为“爱因斯坦预言”。从20世纪90年代开始，国内外科学家一直致力于将量子通信理论进行实用化的研究。光量子电话网建成后，将绝对安全通信的距离拓展到200公里。今年年底，研究小组还将把用户间距扩大，基本覆盖一座城市。
潘建伟介绍，光量子电话网是在标准通用光纤的基础上完成的一次实验，有3个节点，节点间距（通信半径）达到20公里，覆盖范围为1000平方公里。“我们这一次是小试，接下来将试验5个节点，明年年底试验40个节点。”
据介绍，量子通信是量子力学和经典通信的交叉学科，有着传统通信方式所不具备的绝对安全特性，在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景。2003年，韩国、中国、加拿大等国学者提出了诱骗态量子密码理论方案，彻底解决了真实系统和现有技术条件下量子通信的安全速率随距离增加而严重下降的问题，引起了广泛关注。2006年夏，潘建伟科研小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学—维也纳大学联合研究小组各自独立实现了诱骗态方案，同时实现了超过100公里的诱骗态量子密钥分发实验。这三个实验发表在国际著名物理学期刊《物理评论快报》上，真正打开了量子通信走向应用的大门。
此后，潘建伟科研小组针对量子通信实用化展开了攻关研究，研制成功量子电话样机，并在商业光纤网络的基础上，组建了可自由扩充的光量子电话网，节点间距达到20公里，实现了“一次一密”加密方式的实时网络通话和3方对讲机功能，真正实现了“电话一拨即通、语音实时加密、安全牢不可破”的量子保密电话。这项成果日前发表在《光学快递》上，把我国实用化量子通信的研究推向了国际领先的水平。
量子通信是一场通信技术的革命
电报有密码，存在被破译的可能。电子邮件的渠道也不可靠。潘建伟说，用光量子电话网，虽然跟平常打电话一样，却不用担心被窃听，相互之间通话绝对安全。我们光量子电话网为什么不怕窃听？主要是量子通话采用的是‘一次一密’的加密方式，两人通话期间，密码机每分每秒都在产生密码，牢牢‘锁’住语音信息；而一旦通话结束，这串密码就会立即失效，下一次通话绝不会重复使用。而且，量子通信所提供的密钥无法被破解。因为它用‘单光子’作为信息载体，产生密钥。我们将光打成一个个小包裹的形式释放，每一份就是一个光子，携带着信息。窃听者不可能只窃取单光子的一部分，他要么将它全部窃走，要么不窃。而只有单光子被合法用户接收，才会产生密钥。与此相比，光通信用的是很强的光，窃走一些光子，信息就会全部泄露。
量子电话也有交换机、线路，同样可以实施窃听。怎么保密？对此，潘建伟通俗地解释说：“量子电话通话时，双方的密钥如果被别人偷窃过，通话双方可以发觉。没有这个密钥，即使通信内容被窃听，窃听者也无从知道其实质含义。
据介绍，量子通信不仅在军事、国防等领域具有重要的作用，而且会极大地促进国民经济的发展。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会、国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究，欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个。日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。
潘建伟说，我们研究量子通信，目的就是希望能够为人们的日常生活服务。等光量子电话网技术成熟，走向产业化，带来的肯定是一场通信技术的革命。