中国量子信息的“冷板凳”是如何坐热的？

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来源：科技导报

作者：丁兆君

一门新科学，一个新领域，一种新理论，在形成、发展的早期，大多避免不了“冷门”阶段，只有出于对科学的强烈兴趣与求知的强大动力，顽强拼搏者，才能比别人早一步摘得科学的硕果。

中国量子信息科学于20世纪90年代起步。在二十多年间，中国科学家在该学科的多个方面取得了系列成果，如今已活跃于国际最前沿。本文从个人、单位、国家几方面回顾了这段历史。

量子信息科学与技术是当今最前沿的学术领域之一，是量子物理与信息科学的交叉学科，主要包括量子计算、量子通信、量子密码学等分支。
通常所说的量子通信是指量子密钥分发（也称为量子保密通信），是目前最接近实用化的量子信息技术。以量子纠缠为中心，物理学家在理论与实验方面进行了多年的探索，与量子信息相关的科学与技术日益被重视。多个国家先后启动了量子通信工程建设或正在酝酿着量子通信研究计划。

20世纪八十年代量子光子在中国兴起

1983年，第五届国际量子光学会议在美国罗彻斯特大学召开，郭光灿、彭堃墀、吴令安等7位华人学者参加了此次会议。会议期间，他们相约以后一起发展中国量子光学。

在罗切斯特大学合影，照片由吴令安提供

1984年8月，郭光灿利用从学校（中国科大）申请到的2000元钱，组织召开了第一次量子光学会议——这是中国量子光学发展的起点。此后，量子光学会议每两年召开一次，延续至今。
同年，彭堃墀、谢常德夫妇回国后组建了山西大学光电研究所，该所先后被批准为山西省、教育部重点实验室。1990年，量子光学专业委员会的成立也离不开郭光灿等人的努力。

彭堃墀、谢常德夫妇

出于兴趣，郭光灿很早就开始了量子光学的探索。在召开学术会议之外，他从事了量子光学的教学工作，中国科大本校及代培的很多研究生正是在郭光灿的课堂上接受了量子光学的教育。

郭光灿

20世纪九十年代萌芽阶段的量子信息研究

当量子信息这一新兴学科在国际上萌发之时，郭光灿敏锐地意识到量子信息的发展前景，于是以量子密码为切入点展开研究。20世纪90年代，郭光灿团队取得了多项研究成果。1997年，他与博士研究生段路明合作提出了量子避错编码的方法。次年，他们又提出了量子概率克隆原理，随后成功研制了两类量子克隆机，被国际同行称为当年该领域最激动人心的一项进展。1995年，归国后的吴令安，在实验室完成了量子密码通信的原理性实验——这是中国最早的量子密钥分发实验演示。

吴令安

这一时期，潘建伟在中国科大硕士毕业后赴奥地利茵斯布鲁克大学攻读博士学位，师从蔡林格。
期间，他参与了量子隐形传态原理性实验验证工作，研究结果发表于英国《自然》杂志，潘建伟是论文的第二作者。该文于1997年分别被欧洲物理学会、美国物理学会评为国际物理学十大进展之一，1999年被《自然》誉为“百年物理学21篇经典论文”之一。

潘建伟

杜江峰于1985年考入中国科大少年班。
1998年，正在攻读博士学位的他选择将量子信息作为研究方向，致力于用核磁共振方法进行量子计算研究。当时的他既无实验条件又无科研经费，在学校科研平台的帮助下，他成功完成了自己的实验研究。

杜江峰

重要转折点“量子通信与量子信息技术”

1998年，在钱学森、王大珩的支持下，郭光灿在香山科学会议上作了关于量子信息的主题报告，引起了国内学术界的重视。
1999年，郭光灿在中国科大建立了量子通信与量子计算开放实验室，两年后，该实验室成为中科院重点实验室。2001年，郭光灿连续申报了几年的国家重点基础研究发展计划（科技部973 计划）项目获批。该项目的实施成为中国量子信息研究的重要转折点。“量子通信与量子信息技术”项目由郭光灿任首席科学家，研究重点包括量子密码、量子因特网、量子计算和量子信息物理学等。至2006 年9月项目验收，先后有252人参加了该项目的研究。

来源：自然科学史研究

就在郭光灿973项目申报成功这一年，杜江峰申请到了国家自然科学基金面上项目“混合量子态纠缠现象研究”。
2004年他又成功申请基金委杰出青年基金项目“经典物理学和量子理论”。也是在2001年，潘建伟回到了中国科大，开始组建自己的量子物理与量子信息实验室。同时，潘建伟还“两边跑”，在维也纳大学从事多光子纠缠合作研究。期间完成的“自由量子态隐形传输”实验被欧洲物理学会评为2003年国际物理学十大进展之一。为了弥补团队在量子存储技术方面的短板，2003年7月，潘建伟以客座教授的身份到德国海德堡大学从事相关研究，以期将超冷原子技术引入国内。期间，潘建伟吸引了国内多位年轻学者，并派出多位青年学者到国外量子信息研究领域某个方向国际领先的学术机构进行学习与研究。2008年10月，在量子存储与量子中继技术领域已处国际领先的潘建伟团队，连同其在海德堡大学的4个实验室的装置，整体回归中国科大。到2011年，潘建伟所派出的学生全部按计划回国。

来源：自然科学史研究

表现突出的中国科大

无论在量子密码、量子计算、量子通信，还是在量子信息的其他方面，中国科学家的工作比起国际同行都已不算逊色。
如今，郭光灿、杜江峰、潘建伟3 位工作于量子信息领域的物理学家、中国科学院院士（分别于2003年、2015年、2011年当选），被公众以他们的姓氏汉语拼音首字母戏称为中国科大的“GDP”。郭光灿团队的规模和实力仍随量子信息科技的发展而不断壮大。在量子保密通信实验探索方面，郭光灿团队取得了诸多进展：实现了国际上量子密钥分发的最长距离；设计出国际上首个量子路由器；完成世界上首个无中转、任意互通的量子密码通信网络；建成世界首个量子政务网，用于传送保密文件等。此外，制备八光子纠缠态、实现保真度达99. 9%的光子偏振态的固态量子存储工作等也均达到世界领先水平。今年，由郭光灿团队所创办的合肥本源量子计算科技有限责任公司研发出了中国首个量子计算机操作系统“本源司南”，于2月8日正式发布。

本源量子

2001年回国组建团队以来，潘建伟在多光子纠缠与干涉和量子力学基础检验、量子信息处理关键技术和重要算法、面向实用化保密量子通信的光量子传输等多个方面取得了系列成果。
2016年，以潘建伟为首席科学家的“墨子号”量子科学实验卫星成功发射。2017年，该团队承担的量子保密通信“京沪干线”开通。同年，潘建伟团队联合其他研究组利用“墨子号”在国际上率先实现千公里级星地双向量子纠缠分发，并在此基础上实现了空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验，且实现了千公里级星地量子密钥分发和量子隐形传态。

“墨子号”量子科学实验卫星 来源：中科院国家空间科学中心

2020年，潘建伟团队及其合作者构建了76个光子的量子计算原型机“九章”，实现了具有实用前景的“高斯玻色取样”任务的快速求解，从而成功达到了量子计算研究的第一个里程碑：量子计算优越性（国外亦称“量子霸权”）。

“九章”量子计算原型机光路系统原理图（制图：陆朝阳，彭礼超）

今年，潘建伟团队及其合作者成功验证了构建天地一体化量子通信网络的可行性，综合通信链路距离长达4600公里。

集成的天地一体化量子通信网络图解 来源：Nature

杜江峰一直致力于基于磁共振技术的量子计算及相关基本物理问题的实验研究。
团队的研究进展包括：首次实现量子博弈实验研究；首次实现最优动力学解耦方案；使用最新量子操控技术，实现了单分子磁共振的突破等。2019年，杜江峰团队研究了量子系统中由非厄米哈密顿量所支配的演化规律，在世界上首次在单自旋体系中观测到宇称时间对称性破缺。杜江峰由此被评为“2019年中国科学年度新闻人物”。

通过量子调控，加入核自旋辅助比特“小明”，引导着小莉完成美妙的双人舞蹈，实现了量子世界中的宇称时间对称构建。（王国燕、陈磊设计）

中国量子信息何以起步晚、进步快？

在科学后发国家，发展科学离不开向发达国家学习、参与国际交流的过程，在此基础上，发展中国家应根据学科领域国际发展态势，结合本国科学发展的环境因素，审时度势、抢抓机遇，通过合理组建人才团队、科学选择突破方向、争取外部支持，做出更多原始创新。正是由于国家的重视，科技部、中科院、基金委的支持，才使得量子信息这一发展性学科在中国获得超乎寻常的发展。中国量子信息科技在中国的起步离不开郭光灿、彭堃墀、吴令安等先行者在国内从无到有、从量子光学到量子信息的开拓、探索，尤其是郭光灿团队早期几项重要成果的产出及此后973 项目的申报成功。事实上，无论是郭光灿在20 世纪80 年代开始的量子光学研究，还是在90 年代率先投入其中的量子信息研究，在国内都是“冷门”，不仅不被看好，还遭人排斥、反对。但他始终自己的选择，沿着“冷门”一往无前，最终开拓出一片新天地，“冷门”逐渐变成了“热门”。对于他而言，不畏“冷门”、勇于开拓新的领域及其重要。而潘建伟所参与的世界前沿工作及其团队一系列科研成果，对中国相关领域起到了很好的引领、示范作用，对于量子信息科技在中国的发扬光大发挥了重要的、积极的影响。值得一提的是，中国科大培养了一批优秀的量子信息领域专家也并非偶然。该校一向秉承自由、开放、创新、包容的传统，关注“冷门”领域，信任、支持青年学者，有浓厚的学术氛围与开放的学术平台。此外，学校在考虑学科发展时，能够打破传统障碍，最大限度地聚集资源、培育新学科。中国量子信息研究虽然介入稍晚，但在国家的支持和众多科学家的努力下，做出了在本阶段引领国际前沿发展的诸多重要贡献。这不仅给广大科技工作者以启发与激励，也为发展中国家前沿科技领域的发展提供了一个可资参考与借鉴的范例。

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