中科大“GDP”的量子往事

出品  光子盒研究院

导读：近日，历史悠久的光学制造企业——德国蔡司公司授予中国科学技术大学潘建伟教授2020年度蔡司研究奖（ZEISS Research Award），以表彰他在光量子信息领域，特别是在量子通信和量子计算方面的杰出贡献。借此机会，我们一起回顾潘建伟这一代量子科学家的峥嵘岁月。

1983年，第五届国际量子光学会议在美国罗彻斯特大学召开。会上只有8名中国人，其中就包括郭光灿。会后，几名血气方刚的中国年轻人相聚彻夜畅谈，感叹中国量子光学研究之落后，彼此相约谁先回国，谁就来组织国内量子光学的研究队伍。

郭光灿率先回国。1984年，他用中国科技大学资助的2000元，在安徽琅琊山醉翁亭主持召开了全国第一个量子光学学术会议。当时仅有50多人参加，与会的科技人员也大多未曾开展过量子光学研究。但这并不影响郭光灿的热情，“总算有人知道量子光学了”。

这个当年由郭光灿发起的量子光学会议一直持续至今，以此为基础，后来又成立了量子光学专业委员会。就靠着这个学术活动，中国量子信息领域的研究队伍慢慢壮大起来。

中科大的量子GDP

1917年，爱因斯坦在一篇文章中提出“光与物质相互作用”的理论，阐述了原子受激发而辐射的光可能被放大而发出强光的现象，这就是量子力学的第一个重要应用——激光。

理论先行，实验却不那么容易。1960年世界上第一台激光器问世，爱因斯坦已经去世五年了。这一年，18岁的郭光灿顺利考入中国科技大学无线电系，不久之后，中科大无线电系设立气体激光新专业，郭光灿对此方向产生了兴趣，决心钻研下去。

上世纪70年代，郭光灿就成功研发出中国最早的氮分子激光器，这项成果被评为全国科学大会奖。1981-1983年，郭光灿被公派到加拿大访问学习。在多伦多大学他才发现，国际学术界开展量子光学研究已20多年。 

郭光灿回国后，随着研究重新步入正轨，中科大广纳人才。1985年，16岁的杜江峰被保送中科大少年班，主修近代物理系，两年后，17岁的潘建伟也考入中科大近代物理系。正是在这里，杜江峰和潘建伟接触到了量子力学。

上世纪90年代，杜江峰和潘建伟留校攻读研究生，本科毕业前，潘建伟集中研究和总结了量子世界的各种佯谬，作为他的本科毕业论文。年过五旬的郭光灿也接触到一个新词：量子信息，凭借敏锐的学术嗅觉，他察觉到这可能是量子光学的突破口。可他连“经典信息”都不清楚。于是他求教于中科大信息学院的教授，从“0101”开始学编码。

郭光灿团队最早开展量子信息领域的研究，也是最先取得成果的。1997年，郭光灿完成了该领域的第一项重要工作——量子编码。首次提出了“无消相干子空间”，即不会消相干的特殊量子态，仅在需要时把消相干的量子编码到这个特殊量子态上，避免出错。

郭光灿团队关于量子避错编码的文章在《物理评论快报（Physical Review Letters）》上一经发表，引起了国内外量子信息界的轰动，后来该方法也被美国若干著名实验室在实验上所证实。也在这一年，郭光灿的研究工作从理论转向实验，并自1997年起开始申请“973”项目。

此时，潘建伟赴奥地利因斯布鲁克大学还不到一年，他在这里攻读博士学位，师从量子实验研究的世界级大师安东·蔡林格（Anton Zeilinger）。而留校任教的杜江峰进军量子计算实验研究领域已经是1998年了。

1998年是不平凡的一年，对于中国量子信息领域，亦是如此。这一年，郭光灿组织了量子信息香山科学会议，他致信钱学森，提出应该以“两弹一星”精神推动量子信息发展，抢占先机，并邀请钱老做香山会议的主席。钱老时值年迈体衰，但仍旧回信表示肯定：“你说的都很重要，我很支持你。”

万里之外的奥地利，被探究精神燃烧着的潘建伟向导师提出加入到量子隐形传输的实验组中，导师考虑再三接受了他的请求。这一请一允，悄然改变了潘建伟的命运。

1999年，潘建伟作为第二作者的量子态隐形传输实验取得了“量子信息实验领域的突破性进展”，这个实验被公认为量子信息实验领域的开山之作，欧洲物理学会将其评为世界物理学的年度十大进展，美国《科学》杂志将其列为年度全球十大科技进展。

该工作同伦琴发现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”。

这一年，潘建伟29岁。随着一系列实验成果论文的发表，潘建伟开始跻身量子物理研究的顶尖科学家行列。回到国内，杜江峰默默无闻，没人关注这个即将一鸣惊人的年轻人。

2000年，郭光灿团队凭借“利用光腔制备两原子纠缠的方案”的研究再次轰动世界。后来法国科学家沙吉·哈罗彻（Serge Haroche）用实验证明了这一理论，借此获得了2012年诺贝尔物理学奖。

取得重大成果，郭光灿还来不及高兴，因为申请“973”项目屡战屡败。但郭光灿并不打算放弃，他认为，“973”瞄准的是“国家重大需求的基础研究”，而量子信息、量子密码的应用前景诱人，理应得到资助。无奈当时整个学术界对这个领域缺乏了解，并不看好郭光灿的研究。

但在2001年，事情出现了转机。“2001年量子信息国际研讨会”在安徽黄山举行，这是中国首次举办量子信息方面的国际会议，吸引了众多的国际权威专家，其中，包括IBM的Bennett教授（提出BB84协议），奥地利的Zoller教授（最早提出离子阱量子计算机的论文），贝尔实验室的Grover教授（提出Grover算法）以及中科院院士刘颂豪教授等。

在这次大会上，郭光灿成为了科技界家喻户晓的人物。他作为中国量子信息领域研究的学术带头人、大会执行主席致开幕词。终于在2001年，也就是郭光灿屡败屡战的第四年，中国第一个量子通信和量子信息技术的“973”项目获得通过。

在随后的中科院实验室评估中，郭光灿团队所在的量子信息实验室名列第一，被破例升格为中科院重点实验室。郭光灿在“973”项目中担纲首席科学家，并会聚了国内十多个研究所和大学的50多名研究人员参与该项目，后来走出了五名中科院院士。

其中，杜江峰和潘建伟都收到了郭光灿的邀请。作为中科大的同事，杜江峰加入该项目自然水到渠成，潘建伟回国则是郭光灿亲自到奥地利游说，2001年，潘建伟作为“中科院引进国外杰出人才”回国，在中科院的支持下，在中科大组建合肥微尺度物质科学国家实验室。

至此，中国量子信息领域的GDP（郭光灿、杜江峰、潘建伟）会师中科大。

科学家的创业之路

2003年，61岁的郭光灿当选中科院院士，荣获国家自然科学二等奖、何梁何利奖。而此前一直默默无闻的杜江峰在国际上首次成功地观测到任意量子态的几何相。《物理评论快报》审稿人大加赞赏，“这一实验为今后实现高精度、低噪声、自容错的量子计算机指明了新的研究方向”。

潘建伟也结束在蔡林格团队的四年博士后生涯，回到国内，潘建伟所在的实验室实现了自由传播光子的隐形传态，使得量子隐形传态能应用在更加广泛的量子通信和量子计算中。而为发展冷原子操纵技术，他还兼任德国海德堡大学玛丽·居里讲席教授。

在“GDP”等人的合作下，2005年“973”项目结题时，成绩斐然。中科大在北京和天津之间实现了通信距离为125km的光纤QKD通信系统实验，这是中国在量子通信实用化上取得的重大突破。

这个项目组走出了五名中科院院士，除了郭光灿，包括潘建伟、杜江峰、彭堃墀、孙昌璞等4名课题组长，有十多位年轻学术骨干，后来也作为首席科学家，承担科技部973项目。

可以毫不夸张地说，这个973项目的实施是其后中国量子信息蓬勃发展，并在国际学术界占有一席之地的重要转折点。

随后十年，潘建伟成为量子信息领域最炙手可热的明星。2006年，首次实现了两光子复合系统量子隐形传态;2008年，首次实现了光子比特与原子比特间的量子隐形传态。在实用化方面，2007年潘建伟团队实现了诱骗态QKD实验，通信距离超过了100km，2009年又将诱骗态QKD实验的通信距离扩大到了200km。

2009年，在完成了冷原子方面的技术和人才积累后，潘建伟把在海德堡大学的实验室整体搬回到中国科大，还以中组部“青年千人计划”、中科院“百人计划”等方式，将一批优秀的青年学术骨干从欧洲引进到中科大工作。

鉴于他在量子信息领域作出的卓越贡献，2011年12月，41岁的潘建伟当选为中国科学院院士，成为中国最年轻院士。

郭光灿是国内最早研究量子光学的科学家，也走的光量子路线。2008年，郭光灿团队首次证明了量子信道私密容量不可加性，解决了10多年悬而未决的难题，完成了量子信道三种容量不可加的“三部曲”。

2009年，郭光灿团队在芜湖市建成世界上第一个“量子政务网”，这是中国量子保密通信基础研究成果开始产业化的重要标志。

但最早成立公司的却是潘建伟，2009年5月，潘建伟、彭承志团队设立“用量子技术保护每一个比特”的安徽量子通信有限公司（科大国盾量子前身）。公司成立当年就参建了国庆60周年阅兵“量子保密通信热线”。

紧随其后，2009年7月，依托于中科院量子信息重点实验室，郭光灿、韩正甫团队在安徽芜湖成立了问天量子。

正当潘建伟、郭光灿进行量子通信产业化时，杜江峰仍在实验室中苦心钻研。2009年，他带领自己的科研团队做出的一项重要成果产生了：首次在真实固态体系中实现了最优动力学去耦，这项成果发表于国际权威杂志《自然》。这项研究的重要性在于极大提升了现实物理体系的性能，从而朝实现量子计算迈出重要的一步。

与其他人不同，杜江峰在量子计算领域走的是磁共振路线，不管是核磁共振，还是电子自旋磁共振的研究，都是在购买的商用谱仪上完成的。2009年之后，杜江峰开始将研究深入到光探测磁共振领域，购买的谱仪已经不能满足实验需求，必须尝试自己设计、建设新的科学谱仪。

就这样，杜江峰进入一个在当时比较冷门的领域——量子测量。2015年3月，杜江峰团队创造了一项惊艳世界的研究成果：利用钻石中的氮—空位点缺陷作为量子探针（简称“钻石探针”），选取了细胞分裂中的一种重要蛋白为探测对象，将量子技术应用于单个蛋白分子研究，在室温大气条件下获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱。

这项成果发表于国际著名学术期刊《科学》上，同期《科学》“展望”栏目专文报道称赞“此工作是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑”。这种以钻石为“探针”的磁共振方法可以把以前看不见的东西变得“看得见”，在化学、材料、生命等很多领域都有广阔的应用前景。

凭借这一成果，2015年12月，46岁的杜江峰当选中国科学院数学物理学部院士。也让他看到了将研究成果产业化的可能。于是2016年，杜江峰团队在安徽成立了国仪量子，这是国内量子领域中唯一一家不从事量子通信的公司，他的公司致力于发展全球领先的量子精密测量技术，包括量子探针制备工艺、量子态调控技术、量子态测量技术等。

就在2016年，“墨子号”量子卫星的发射在全国范围内掀起了“量子热”。这颗卫星正是由潘建伟团队主导研发，科大国盾现任董事长彭承志，是“墨子号”量子科学实验卫星科学应用系统总师和卫星系统副总师。

量子卫星发射成功后，潘建伟团队又在上海成立了国科量子通信网络有限公司——中科院和中科大共同投资的国有控股企业，经国家发改委批复，承担国家广域量子通信网络建设运营的战略任务。

此后，中国量子保密通信开工建设和投入使用的网络数量和规模明显上升，这其中绝大多数网络由国盾量子提供量子通信系列产品和解决方案，包括济南、武汉、北京、上海、贵阳等多个城域网。

2016年，郭光灿团队的问天量子与亨通光电合设研究院，于2017年合作完成首个广域网项目——“宁苏量子干线”，也是全球首条相位编码长距离广域商用量子干线。

2017年，由问天量子和中国航天系统科学与工程研究院共同研发的国内首款量子加密手机正式发布。郭光灿也开始二次创业，依托于中科院量子信息重点实验室，郭光灿、郭国平等联合中科大成立了国内第一家量子计算公司——本源量子，专注于量子计算全栈开发，各类软、硬件产品技术指标国内领先，目前已申请专利百余项。

至此，中科大已经拥有由国盾量子、问天量子、国科量子、国耀量子雷达、国仪量子、本源量子组成的大家庭。

科大系的几个量子企业中，科大国盾的董事长彭承志、总裁赵勇是同门师兄弟；国仪量子总经理贺羽是杜江峰院士学生，之前曾自主创业；郭光灿院士是本源量子联合创始人兼科学顾问，科学顾问是郭国平教授，董事长和总经理也是物理学博士。

虽说市场普遍有批评这些高校背景科技公司不够市场化的声音，但是越来越多的科学家创业成功渐渐打破了这种质疑，即将登陆科创板的国盾量子已经是估值超过100亿元人民币的独角兽，2019年4月，国仪量子完成引入科大讯飞、科大国创为战略投资方，估值为10个亿。

然而，高估值只是量子信息领域产业化的第一步。接下来的10年，包括量子“GDP”在内的前沿战略性产业能否切实拉动GDP？故事仍将续写。

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。