物理學(xué)家潘建偉

合肥，9月，新生入學(xué)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的開學(xué)典禮上，校長包信和對(duì)2024級(jí)“新生”們提出一個(gè)開放式問題：創(chuàng)校先輩們?yōu)楹我浴爸袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)”為學(xué)校命名？

在解釋自己的答案時(shí)，包信和將“中科大”的校名拆開，對(duì)應(yīng)了四位科學(xué)家，分別是楊承宗、潘建偉、錢學(xué)森和李政道。

“中國”，對(duì)應(yīng)楊承宗，我國放射化學(xué)奠基人，以中國為首，終身科教報(bào)國。

“大學(xué)”，對(duì)應(yīng)錢學(xué)森和李政道，他們“文理雙全”，是全面發(fā)展的榜樣。

“科學(xué)技術(shù)”，則對(duì)應(yīng)了潘建偉。包信和解釋時(shí)，先提到了潘建偉主攻的量子理論，“這就是當(dāng)今世界最深?yuàn)W和最重要的科學(xué)之一”，他接著鼓勵(lì)新生向“無人區(qū)”進(jìn)發(fā)，追求“高峰要高到九重”……

上述被提及的四人中，潘建偉顯得很特別。

他還“年輕”，今年54歲，仍在科研一線沖鋒。

此外，他研究的領(lǐng)域“量子信息技術(shù)”，常年飽受爭議。

量子，一個(gè)被各路騙子和“民科”用壞的詞，給了科幻和“民哲”們太多胡攪蠻纏的空間。潘建偉曾說，科技創(chuàng)新一般要經(jīng)歷三個(gè)階段，第一階段是“別人都說你不靠譜”。

這話令人不覺辛酸。

第二階段，有一定成果，又有人說“理論上可行，但屬于基礎(chǔ)研究……實(shí)現(xiàn)工程化還有一定距離”。1990年代，與潘建偉一起做“量子隱形傳態(tài)”實(shí)驗(yàn)的一位同學(xué)說，他們?cè)谟猩瓴粫?huì)看到這項(xiàng)技術(shù)落地應(yīng)用。

曲高和寡。很長時(shí)期，量子信息技術(shù)的理論和應(yīng)用，因?yàn)檫^于前沿而少人問津，稱之為“無人區(qū)”并不夸張。

第三階段，苦盡甘來，“技術(shù)被廣泛使用后，大家會(huì)習(xí)以為常，甚至認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)不夠新了”。

今天的量子信息技術(shù)，處在第二和第三階段之間，它不再是“無人區(qū)”，而是被認(rèn)為能夠撬動(dòng)數(shù)萬億美元的巨大市場，與AI一起被看作“下一代革命性技術(shù)”。風(fēng)口當(dāng)前，世界發(fā)現(xiàn)，潘建偉為代表的中國量子信息“新勢(shì)力”，站在最前邊。

這正是包信和院士提到的，進(jìn)發(fā)“無人區(qū)”的意義。

潘建偉的科研歷程，代表對(duì)中國大科學(xué)家的一種新的敘事：今天，我們的科學(xué)家已經(jīng)在重大領(lǐng)域做著原創(chuàng)性的探索，并且領(lǐng)先于世界前沿。

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好奇的少年

量子理論，前沿、晦澀，為人津津樂道的是，連愛因斯坦也無法接受量子理論的某些“原理”。

最著名的例子有兩則：一是關(guān)于“量子疊加”，是說量子某些自身特性，會(huì)在被測(cè)量時(shí)，因方式的不同而不同，又或者因測(cè)量而改變，即所謂“坍縮”。愛因斯坦不認(rèn)可這樣的“特性”為量子的自身特性。另一則關(guān)于“量子糾纏”，愛因斯坦認(rèn)為它違背狹義相對(duì)論，因此不合理。他稱之為“鬼魅般的超距作用”。

這門“鬼魅般”的學(xué)科，也困擾過年少的潘建偉。

他出生于1970年，是浙江東陽人。1987年高考那年，潘建偉有機(jī)會(huì)被保送到浙江大學(xué)?！耙?yàn)楫?dāng)時(shí)保送的專業(yè)不是物理，所以我放棄了?！弊罱K，他被中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系錄取。

本科時(shí)，潘建偉接觸到量子力學(xué)?！皬囊婚_始，我就被量子力學(xué)搞糊涂了?！迸私▊ピ谝淮问茉L時(shí)說。他的疑惑同愛因斯坦是一樣的，“像量子疊加、量子糾纏的問題，當(dāng)時(shí)我覺得是不應(yīng)該發(fā)生的，有一次期中考試還因此差點(diǎn)沒及格”。

潘建偉與量子學(xué)說，算是“不打不相識(shí)”。1992年本科畢業(yè)，潘建偉在論文中向“不合常理”的量子力學(xué)理論提出了質(zhì)疑，“我試圖在論文中找個(gè)例證，來否認(rèn)這個(gè)理論”。

也因?yàn)檫@次挑戰(zhàn)，他迷戀上量子世界的奧妙與未知。繼續(xù)攻讀碩士的他，選擇的方向是量子基本理論。

但那時(shí)的潘建偉已經(jīng)知道，要破解“鬼魅般”的量子世界，單純的理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。1996年，碩士畢業(yè)后，潘建偉選擇到量子學(xué)說的“出生地”—奧地利，他入讀因斯布魯克大學(xué)，師從安東·塞林格。

塞林格的實(shí)驗(yàn)室，是量子實(shí)驗(yàn)重地。2022年，塞林格等三名科學(xué)家被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，“以表彰他們對(duì)糾纏光子進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，證明了對(duì)貝爾不等式的違反和開創(chuàng)性的量子信息科學(xué)”。

值得一提的是，“證明貝爾不等式的違反”，正回應(yīng)了愛因斯坦“鬼魅般的超距作用”。簡而言之，科學(xué)家用實(shí)驗(yàn)證明了，量子糾纏是存在的，且“超距作用”并不違背狹義相對(duì)論（因?yàn)榧m纏量子之間不存在信息交換）。

潘建偉曾經(jīng)在多個(gè)場合回憶他與塞林格的第一次見面，那年他26歲。他記得，塞林格的辦公室窗外就是阿爾卑斯山，景色很美。塞林格問他，你的夢(mèng)想是什么？潘建偉回憶，青年的他張口就說：“我將來就想在中國建一個(gè)您這里的實(shí)驗(yàn)室，世界一流的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室?！?/span>

塞林格對(duì)他點(diǎn)頭，說，“很好啊?！?/span>

這時(shí)期，潘建偉的生命中還有另一件大事。1987年高考那年，他在日記里寫下一個(gè)愿望，希望能娶一位高中女同學(xué)為妻。9年后，1996年讀博那年，這位女同學(xué)答應(yīng)了他。

1997年一次演講中，潘建偉重提這事，說：“這么困難的事情我都做到了，還有什么事情不能做成呢！”

阿爾卑斯山下，春風(fēng)得意少年心。

“墨子”問鼎

潘建偉是幸運(yùn)的。1996年攻讀博士，他很快參與起塞林格領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)。1997年，論文發(fā)表，標(biāo)題是很簡單的《量子隱形傳態(tài)》（Experimental Quantum Teleportation），潘建偉是論文第二作者。

這篇論文，被《自然》雜志選入20世紀(jì)的“百年物理21篇經(jīng)典論文”，成果與相對(duì)論的建立、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)等并列。

要理解它為何意義重大，則需從1993年講起。此前，愛因斯坦“鬼魅般的超距作用”被證實(shí)存在，于是在1993年，查爾斯·貝內(nèi)特等六位科學(xué)家發(fā)表論文指出，存在一種機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)通過量子糾纏來傳送“未知的量子態(tài)”。

緊接著，塞林格實(shí)驗(yàn)室，將這一設(shè)想實(shí)現(xiàn)。上述1997年的論文披露，他們通過量子糾纏的幫助，把一個(gè)光子的“未知、未測(cè)量的態(tài)”，傳送到遠(yuǎn)處的另一個(gè)光子上。

在大眾領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)名聲大噪—但其中存在種種誤解。由于該技術(shù)的靈感之一是愛因斯坦“超距作用”思想實(shí)驗(yàn)，許多電影及科幻著作，將它發(fā)散為超光速的瞬時(shí)“傳送術(shù)”。這應(yīng)了那句，“名聲往往來源于誤解?！?/span>

而在科研領(lǐng)域，量子隱形傳態(tài)的意義來于，人們開始可以對(duì)微觀粒子的量子狀態(tài)進(jìn)行主動(dòng)的精確操縱。逐漸成熟的量子調(diào)控技術(shù)，催生了量子信息技術(shù)。

因此，《量子隱形傳態(tài)》的成果，被公認(rèn)為量子信息技術(shù)的“開山之作”。第二作者潘建偉，也從此名聲大噪。

但這僅僅是一個(gè)好的開始。所謂的科研，不僅開頭難，而且步步難。

沒有人能預(yù)見未來，潘建偉曾在一次受訪時(shí)說：“坦白講，我們的研究是從是量子力學(xué)開始，起初并不是奔著量子信息技術(shù)去的，只是被一步一步推到了現(xiàn)在?！?/span>

他記得，1996年的實(shí)驗(yàn)室里，量子密鑰傳輸距離只能做到幾十厘米，量子隱形傳態(tài)也只能傳輸30多厘米。潘建偉有一個(gè)要好的朋友，當(dāng)時(shí)斷言：在有生之年不會(huì)看到這項(xiàng)技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。

到了2017年，當(dāng)潘建偉的團(tuán)隊(duì)真的用技術(shù)改變了現(xiàn)實(shí)，他提到的這位朋友“簡直說不出話，覺得這是匪夷所思的事情”。

就像他花了9年時(shí)間追到妻子那樣，潘建偉顯然是一個(gè)長期主義的行動(dòng)派。

博士畢業(yè)后，2001年，潘建偉回國任教，在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)組建了物理與量子信息實(shí)驗(yàn)室，他開啟了一段“候鳥”時(shí)光。從2001年到2008年，他常年先后在奧地利和德國“兩邊跑”，重點(diǎn)學(xué)習(xí)了量子糾纏態(tài)的制備工藝，以及量子存儲(chǔ)技術(shù)。

2011年，潘建偉以41歲當(dāng)選中國科學(xué)院院士，成為中國當(dāng)時(shí)最年輕的院士。

要介紹潘建偉的工作成果并不容易，不過，在量子通信領(lǐng)域，我們可以從最初“實(shí)驗(yàn)室里幾十厘米”的傳輸距離出發(fā)，窺見在這條路上，潘建偉走了有多遠(yuǎn)。

早在2008年秋，潘建偉團(tuán)隊(duì)就在合肥建立了世界上第一個(gè)光量子電話網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了“一次一密”加密方式的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通話。量子通信開始在一座城市的范圍內(nèi)落地。

2016年8月16日，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星升空。潘建偉團(tuán)隊(duì)通過“墨子號(hào)”，在國際上率先成功實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)。此外，“墨子號(hào)”首次成功實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)和從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)。

“不積跬步無以至千里”，這都不足以形容潘建偉，因?yàn)樗麑ⅰ皫资迕住睌U(kuò)展到了“天地之間”。

關(guān)于“霸權(quán)”

“墨子號(hào)”的成功，標(biāo)識(shí)了中國成為量子技術(shù)“領(lǐng)跑者”的轉(zhuǎn)變，也牢牢確立著中國“領(lǐng)跑者”的位置。實(shí)際上，潘建偉的這一想法早在2002年萌生。

2017年，一次受訪過程中，潘建偉回憶這個(gè)“近似瘋狂”的想法。這不僅因?yàn)榱孔有畔⒓夹g(shù)在世紀(jì)初的中國近乎“天方夜譚”，而且連當(dāng)時(shí)的歐美國家也沒有類似的項(xiàng)目。為此，潘建偉備受質(zhì)疑了一段時(shí)間。

“墨子號(hào)”成功實(shí)現(xiàn)所有的預(yù)定目標(biāo)，令潘建偉長舒一口氣。這個(gè)“無人區(qū)”被他闖出來了。

在接受新華社采訪時(shí)，潘建偉曾說過這樣一段話：“近代科學(xué)沒能在中國誕生，中國人能不能趕上科學(xué)前沿、引領(lǐng)重大創(chuàng)新？”他接著說：“中國科研工作者都憋著一股勁兒，希望通過自己的努力證明，不僅在國外可以做得很優(yōu)秀，在國內(nèi)也能做出很好的成就。”

這些成就，還不是他的全部。“墨子號(hào)”的既定任務(wù)，大多與量子通信相關(guān)，而量子信息技術(shù)被公認(rèn)為最重要的領(lǐng)域，是量子計(jì)算。

量子計(jì)算由大物理學(xué)家費(fèi)曼提出。1981年一次演講中，費(fèi)曼再次用他那深刻又通俗的語言講到，計(jì)算機(jī)面臨一個(gè)危機(jī)，“現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)用來模擬經(jīng)典力學(xué)很成功，但模擬量子力學(xué)就會(huì)失敗，因?yàn)橛?jì)算量會(huì)爆炸”。

這是因?yàn)?，量子力學(xué)中，同一個(gè)原因會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，所以只能以概率的語言描述。經(jīng)典計(jì)算機(jī)中二進(jìn)制的“開關(guān)”在模擬時(shí)，所需的算力和存儲(chǔ)面臨指數(shù)級(jí)增長的困難，幾乎不可解決。

因此費(fèi)曼提出，唯一的解決方法，是用量子體系去模擬量子體系。這么做的原因，是因?yàn)槲镔|(zhì)本質(zhì)上遵循量子力學(xué)，所以，量子計(jì)算機(jī)可能在基礎(chǔ)研究、生物分析和制藥等領(lǐng)域，體現(xiàn)出遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的性能。

因?yàn)樵谔囟▎栴}上擁有輾壓級(jí)優(yōu)勢(shì)，2011年，量子計(jì)算被美國理論物理學(xué)家稱為“量子霸權(quán)”。后來，這一表述被改為更溫和的“量子優(yōu)越性”。

2019年10月，谷歌AI量子實(shí)驗(yàn)室在《自然》發(fā)文稱實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性，成為第一個(gè)摘到勝利果實(shí)的團(tuán)隊(duì)。

谷歌采用高溫超導(dǎo)電路量子計(jì)算芯片“懸鈴木”，擁有53個(gè)有效量子比特，所執(zhí)行的“特定任務(wù)”是“隨機(jī)線路取樣”問題（注意，量子計(jì)算機(jī)只在一些特定問題上有“優(yōu)越性”）。谷歌宣稱，“懸鈴木”在這個(gè)任務(wù)上，比經(jīng)典超算擁有十億倍的性能優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)，仍處在你追我趕的過程。后經(jīng)IBM優(yōu)化算法，在隨機(jī)線路取樣任務(wù)上，經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以追平“懸鈴木”的計(jì)算性能。不過，這無礙于谷歌確實(shí)證明了量子優(yōu)越性的存在。

一年多后，該領(lǐng)域迎來了潘建偉的團(tuán)隊(duì)。2020年12月，潘建偉團(tuán)隊(duì)的量子計(jì)算機(jī)“九章”在執(zhí)行“玻色子采樣問題”上，實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，比最強(qiáng)超算“富岳”高效100萬億倍。

比起“懸鈴木”，“九章”的優(yōu)越性難以被計(jì)算機(jī)算法追平。因此，“九章”也被評(píng)價(jià)為，人類第一次實(shí)現(xiàn)無可爭議的量子優(yōu)越性。2023年11月，“九章三號(hào)”成功構(gòu)建，發(fā)展出可擴(kuò)展的量子調(diào)控技術(shù)，為具備容錯(cuò)能力的通用量子計(jì)算機(jī)的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。

需要說明的是，“懸鈴木”屬于超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，“九章”則是光量子計(jì)算機(jī)，兩者不能放在一起比較。2021年，潘建偉團(tuán)隊(duì)再發(fā)布62個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)“祖沖之號(hào)”，屬于超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。

也就是說，中國是目前唯一一個(gè)在兩種路線的量子計(jì)算領(lǐng)域都實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)越性的國家。這再度確立了中國“領(lǐng)跑者”的地位。

中國科學(xué)院量子模擬實(shí)驗(yàn)室，超冷原子光晶格平臺(tái)的激光伺服系統(tǒng)

勇闖“無人區(qū)”

重?fù)?dān)在身，難免疲憊，潘建偉并不回避這一點(diǎn)。

2017年，一次在西湖大學(xué)致詞時(shí)，他曾說，從后臺(tái)走向了世界前沿，“壓力很大”。跟跑時(shí)只要緊跟著第一方陣就行了，如今“領(lǐng)跑”生怕被追上，害怕辜負(fù)大家的厚望。

潘建偉的壓力來源，一方面固然來自國際競爭，另一方面，當(dāng)科研走到了最前邊，就不再只是一次次的突破，還可能有一次次的試錯(cuò)。而當(dāng)下，如同半導(dǎo)體或AI等前沿領(lǐng)域，中美“科技競賽”的陰影垂下，無所不在。

早在特朗普政府時(shí)期，美國就開始在量子信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)嵤┘夹g(shù)封鎖。最新的動(dòng)態(tài)是，今年9月5日，美國商務(wù)部工業(yè)與安全局（BIS）發(fā)布了一項(xiàng)臨時(shí)最終規(guī)則（IFR），對(duì)關(guān)鍵和新興技術(shù)實(shí)施管制，包括與量子計(jì)算、半導(dǎo)體制造和其他先進(jìn)技術(shù)相關(guān)的管制措施。

可以預(yù)見，像潘建偉這樣中國新一代“領(lǐng)跑者”的新敘事，注定要融入中美科技競賽的元素。

但對(duì)于從事科研工作的青年科學(xué)家們，潘建偉依然鼓勵(lì)他們勇闖“無人區(qū)”，也就是新興領(lǐng)域。

今年3月，潘建偉受訪時(shí)，對(duì)年輕人提出他的兩條建議。

一是選擇自己感興趣的領(lǐng)域，“做一件事情，要有自己的興趣。有興趣就會(huì)有耐心，就能夠長期堅(jiān)持下去”。

二是選擇一個(gè)新興領(lǐng)域和在該領(lǐng)域活躍的導(dǎo)師，“進(jìn)入一個(gè)新興領(lǐng)域，是避免‘卷’的一個(gè)比較好的方式，因?yàn)樵擃I(lǐng)域長滿了科學(xué)的果子，研究者又不太多，跳一跳就能夠得到……新興學(xué)科一定處在活躍期”。