20年前，潘建偉團隊在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）提出發(fā)射量子科學(xué)實驗衛(wèi)星時，國際上許多學(xué)者認(rèn)為這并不現(xiàn)實——要把一個個單光子那么微弱的信號，從1000公里外的太空送到地面，還要接收并探測它，難度太大了。
量子通信領(lǐng)域資深學(xué)者、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)教授Nicolas Gisin甚至說：“我不認(rèn)為在我退休之前，哦不，在我有生之年能夠看到它實現(xiàn)。”
從“一個團隊”到“一個兵團”
僅靠中國科大一個團隊確實不行。
“但我們注意到，中國科大的核探測與核電子學(xué)國家重點實驗室有成熟的單光子電子學(xué)探測技術(shù)和調(diào)控技術(shù)，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所在空間光機終端系統(tǒng)方面有深厚積累。另外，中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院的衛(wèi)星平臺可以滿足發(fā)射衛(wèi)星的需求，中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的地面望遠(yuǎn)鏡則能在信號接收方面提供保障。”中國科學(xué)院院士潘建偉說，從器件到載荷研發(fā)、從空間技術(shù)到地面光學(xué)技術(shù)等，中國科學(xué)院在各方面都有技術(shù)力量支撐。
在中國科學(xué)院的統(tǒng)一組織下，潘建偉團隊聯(lián)合各單位，通過有效整合科技力量，組織起了大兵團科研攻關(guān)。2016年8月16日，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星成功發(fā)射升空。
“墨子號”科學(xué)實驗任務(wù)的完成，使我國率先在國際上實現(xiàn)了星地量子通信；2017年，量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”正式開通，并與“墨子號”連接，實現(xiàn)世界首次洲際量子通信。
在量子計算領(lǐng)域，“九章”光量子計算原型機、“祖沖之二號”超導(dǎo)量子計算原型機先后實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”里程碑，使我國成為目前唯一在兩種物理體系中都實現(xiàn)這一關(guān)鍵技術(shù)突破的國家。
“‘墨子號’、量子‘京滬干線’‘九章’……量子科技領(lǐng)域這些極具代表性的成果，為什么都產(chǎn)生于中國科學(xué)院？因為中國科學(xué)院有體系化建制化優(yōu)勢。”潘建偉說。
經(jīng)過多年布局，我國量子科技發(fā)展進入了快車道。
2023年7月12日，“51個超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備和驗證”這一成果在《自然》在線發(fā)表。這項由中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院（以下簡稱創(chuàng)新院）和北京大學(xué)研究團隊合作完成的研究成果，刷新了所有物理體系中糾纏比特數(shù)目的紀(jì)錄，為基于測量的量子計算方案走向?qū)嵱玫於嘶A(chǔ)。
此前不久，來自中國科大、清華大學(xué)、濟南量子技術(shù)研究院、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等單位的中國科學(xué)家通過合作，實現(xiàn)了千公里光纖點對點遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)，創(chuàng)下了光纖無中繼量子密鑰分發(fā)距離的世界紀(jì)錄，為城際量子通信高速率主干鏈路提供了方案。該成果5月25日發(fā)表于《物理評論快報》。
量子信息領(lǐng)域的科研成果接連面世，是近10年來我國在量子科技領(lǐng)域取得長足進步的一個縮影。
與10年前相比，目前我國在量子調(diào)控和應(yīng)用領(lǐng)域處于什么水平？
“時至今日，我國的量子科技已經(jīng)實現(xiàn)了從跟跑、并跑到部分領(lǐng)跑的歷史飛躍，量子通信研究穩(wěn)居國際領(lǐng)先地位，量子計算研究牢固確立國際第一方陣地位，量子精密測量研究盡管整體上與國際領(lǐng)先水平尚存差距，但也有了大幅進步，在多個方向進入國際前列。”潘建偉告訴《中國科學(xué)報》。
從“對拍桌子”到“一起拍板”
在“墨子號”的具體實現(xiàn)階段，科學(xué)家與工程師在細(xì)節(jié)落實上，沒少對坐在會議桌前“拍桌子”。
潘建偉說，科學(xué)家希望追求更高的科學(xué)目標(biāo)，想法更加大膽，工程上的穩(wěn)定性可能會打折扣。而工程上為了保證順利完成發(fā)射任務(wù)，希望把難度降低一些。工程師擔(dān)心，太激進的方案可能導(dǎo)致載荷等精密設(shè)備前一秒還在工作、下一秒就出問題。
“后來我們采取了一種做法，就是‘首席科學(xué)家+工程總指揮+工程總師’的決策組織模式。遇到分歧，大家一起拍板。”潘建偉說，“首席科學(xué)家+兩總”的模式，在類似科研任務(wù)中一直延續(xù)了下來。
算起來，這樣合作已經(jīng)10多年了。“我想，未來還會繼續(xù)合作，可能一直到我們退休、下一代人退休……我覺得這是一個非常重要的經(jīng)驗。”潘建偉說。
廣泛發(fā)動力量、加強協(xié)同合作，是我國能在量子科技領(lǐng)域持續(xù)進步的一大“法寶”。
為解決科技體制與科技快速發(fā)展要求不相適應(yīng)的問題，2016年，中國科學(xué)院在“率先行動”計劃下，專門成立了創(chuàng)新院。
中國科學(xué)院在北京、上海、合肥等地，擁有多個量子科技研發(fā)團隊和力量。而創(chuàng)新院的成立，讓不同單位、具有不同學(xué)科背景和專業(yè)知識的人與團隊能夠很好地協(xié)同創(chuàng)新。
科研經(jīng)費投入到創(chuàng)新院，原單位的績效如何評估？貢獻如何排名？
潘建偉介紹，創(chuàng)新院每年會做出相應(yīng)的統(tǒng)計并分發(fā)到各單位——在承擔(dān)國家重大任務(wù)時，盡管科研經(jīng)費的運作是在創(chuàng)新院，但實際績效“工分”會記錄在各研究所；大家在創(chuàng)新院開展科研攻關(guān)，產(chǎn)出成果后，創(chuàng)新院可以列為最后一個完成單位。
“可以說，較好地清除了協(xié)同攻關(guān)最大的一個體制機制障礙。”潘建偉說，在這個過程中，大家會感受到是為了國家重大任務(wù)和重大需求而團結(jié)協(xié)作、干事創(chuàng)業(yè)。
從“大膽起用年輕人”到“成為主導(dǎo)力量”
2013年7月17日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習(xí)近平來到中國科學(xué)院考察工作之時，潘建偉作為“中青年代表”參加了座談會。
“我在現(xiàn)場能感受到習(xí)近平總書記對量子科技的高度關(guān)注、對量子科技工作者的殷切期待。”10年后再回顧，潘建偉仍難掩激動。
在中國量子科技前進的路上，年輕的科學(xué)家一直被“大膽起用”，直到成為主導(dǎo)力量。
“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在2011年12月進入工程研制階段時，擔(dān)任首席科學(xué)家的潘建偉41歲、擔(dān)任衛(wèi)星系統(tǒng)副總設(shè)計師之一的彭承志35歲。
彭承志還記得，“墨子號”的原理性實驗開始于2003年。當(dāng)時團隊想做量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的可行性驗證：量子糾纏能不能穿過大氣層？“潘老師覺得，量子通信的基本原理已經(jīng)比較清晰，就想讓我去做量子保密通信的工程實現(xiàn)。”
當(dāng)時，彭承志剛27歲，而且他原本是學(xué)電子學(xué)的。潘建偉說，“你工程能力強，大膽去試試”，并建議他“可以去大蜀山做”。
2013年，陸朝陽31歲。這年，陸朝陽跟著潘建偉去了一趟德國。回國后，他開始著手光量子計算方面的研究。經(jīng)過7年努力，陸朝陽作為主要完成人之一，成功構(gòu)建76個光子的量子計算原型機“九章”，使我國成為首個在光量子體系實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”里程碑的國家。
“我們對年輕人的態(tài)度是，只要年輕人能干、愿意干，就放手讓他們?nèi)ジ伞！迸私▊フf，“在摸爬滾打的實踐中，年輕人得到了成長。”
與此同時，潘建偉也一直鼓勵學(xué)科交叉。
趙博2001年7月畢業(yè)于中國科大近代物理系，一直到博士后出站，都是做理論物理方面的研究。2012年回國后，正趕上團隊認(rèn)識到“超冷量子化學(xué)”的機理研究正在蓬勃發(fā)展、非常重要，于是他被潘建偉告知“你可能需要轉(zhuǎn)一下行”。
趙博二話沒說，一頭扎進這個領(lǐng)域，一鉆就是七八年。如今，他帶領(lǐng)的小組陸續(xù)在《自然》《科學(xué)》發(fā)論文，逐漸在國際超冷量子化學(xué)領(lǐng)域嶄露頭角。
“人才培養(yǎng)，就是為國養(yǎng)才。國家有需要，我們就通過提拔年輕人、進行交叉與協(xié)同合作，取得前沿方向的突破。”潘建偉說。
事實上，潘建偉所在的中國科大，也不斷在量子科技人才培養(yǎng)模式上探索創(chuàng)新。
2021年，為滿足量子科技人才培養(yǎng)的需要，中國科大設(shè)立了國內(nèi)第一個量子信息科學(xué)本科專業(yè)；我國首個量子科學(xué)與技術(shù)方向的博士學(xué)位授權(quán)點也落戶中國科大；同年7月，中國科大“未來技術(shù)學(xué)院”正式成立，旨在面向量子科技發(fā)展對未來人才的需求，創(chuàng)新未來科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才培養(yǎng)模式，打造體系化、高層次量子科技人才培養(yǎng)平臺，造就一批未來能夠把握世界科技發(fā)展大勢、善于統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的世界級科學(xué)家和領(lǐng)軍人才。
“一系列舉措就是為了解決人才培養(yǎng)與隊伍建設(shè)的問題，希望能夠產(chǎn)生世界級大師，推動領(lǐng)軍人才的培養(yǎng)。”潘建偉說，經(jīng)過10年努力，我國在量子科技領(lǐng)域已形成了一支體量適度、學(xué)科均衡的人才隊伍，“基本能滿足現(xiàn)階段量子科技發(fā)展的需要”。
從“開始調(diào)控量子世界”到“帶來新的產(chǎn)業(yè)革命”
潘建偉至今仍記得習(xí)近平總書記當(dāng)年關(guān)于量子科技的論斷：科學(xué)家們開始調(diào)控量子世界，這將極大推動信息、能源、材料科學(xué)發(fā)展，帶來新的產(chǎn)業(yè)革命。
“我感到，‘科學(xué)家們開始調(diào)控量子世界’正在一步步變成現(xiàn)實。我們希望繼續(xù)通過10年至15年的努力，發(fā)展各種技術(shù)，去實現(xiàn)總書記‘將極大推動信息、能源、材料科學(xué)發(fā)展，帶來新的產(chǎn)業(yè)革命’的預(yù)言。”
面向未來，潘建偉向《中國科學(xué)報》展望了量子科技發(fā)展的圖景。
量子保密通信還可以更遠(yuǎn)。“根據(jù)用戶提出的反饋，進一步提高它的速率、減少它的體積、降低它的成本，進一步推向?qū)嵱谩Ａ硗猓Ｍ淹ㄐ啪嚯x做得越來越遠(yuǎn)。”潘建偉說，這需要用量子中繼的方式把相距遙遠(yuǎn)的城市連接起來。
“目前，量子中繼尚處于應(yīng)用基礎(chǔ)研究階段，相信10年后可以變成一種實用化的技術(shù)。”他對記者說，“在全球化量子通信方面，我們將構(gòu)建由多顆低軌量子微納衛(wèi)星組成的實用化‘量子星座’，第一顆量子微納衛(wèi)星已于去年7月發(fā)射成功，后續(xù)我們還將發(fā)射這樣的低成本微納衛(wèi)星。另外，我們將發(fā)射一顆中高軌量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，目前創(chuàng)新院正在緊鑼密鼓地開展工程研制，希望在2026年底具備發(fā)射條件。”
量子計算還可以更快。潘建偉說，希望用5年左右的時間，解決量子糾錯的問題，“進而實現(xiàn)數(shù)千個量子比特的相干操縱”。如此就可以構(gòu)造出專用的量子模擬機，將來可以解決一些具有重大科學(xué)意義的、非常復(fù)雜且難以計算的問題，在此基礎(chǔ)上，他還希望通過10年到15年的努力，構(gòu)造出可容錯的通用量子計算機。
量子精密測量還可以更準(zhǔn)。潘建偉告訴記者，通過中高軌衛(wèi)星的發(fā)射，希望能夠?qū)崿F(xiàn)萬公里的洲際時頻比對。
“時間的同步很重要，比如，時間同步精度若能達(dá)到10-18秒——100億年只差一秒這樣的精度，將給時間單位‘秒’帶來全新的定義。”潘建偉說，隨著量子調(diào)控時代的到來，國際計量大會已形成決議，7個基本物理量都要用量子化方法重新定義。
“我們希望其中有中國的貢獻——通過開發(fā)一系列量子精密測量裝置，改變目前精密測量格局。”潘建偉說，這也是建設(shè)科技強國對我們的一個必然要求。
來源：《中國科學(xué)報》
