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20年前，潘建偉團(tuán)隊(duì)在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)科大）提出發(fā)射量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星時(shí)，國(guó)際上許多學(xué)者認(rèn)為這并不現(xiàn)實(shí)——要把一個(gè)個(gè)單光子那么微弱的信號(hào)，從1000公里外的太空送到地面，還要接收并探測(cè)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(shuō)：“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(shí)現(xiàn)。”

從“一個(gè)團(tuán)隊(duì)”到“一個(gè)兵團(tuán)”

僅靠中國(guó)科大一個(gè)團(tuán)隊(duì)確實(shí)不行。

“但我們注意到，中國(guó)科大的核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室有成熟的單光子電子學(xué)探測(cè)技術(shù)和調(diào)控技術(shù)，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所在空間光機(jī)終端系統(tǒng)方面有深厚積累。另外，中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院的衛(wèi)星平臺(tái)可以滿足發(fā)射衛(wèi)星的需求，中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所的地面望遠(yuǎn)鏡則能在信號(hào)接收方面提供保障。”中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉說(shuō)，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(guó)科學(xué)院在各方面都有技術(shù)力量支撐。

在中國(guó)科學(xué)院的統(tǒng)一組織下，潘建偉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合各單位，通過(guò)有效整合科技力量，組織起了大兵團(tuán)科研攻關(guān)。2016年8月16日，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射升空。

“墨子號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的完成，使我國(guó)率先在國(guó)際上實(shí)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(kāi)通，并與“墨子號(hào)”連接，實(shí)現(xiàn)世界首次洲際量子通信。

在量子計(jì)算領(lǐng)域，“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)、“祖沖之二號(hào)”超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)先后實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑，使我國(guó)成為目前唯一在兩種物理體系中都實(shí)現(xiàn)這一關(guān)鍵技術(shù)突破的國(guó)家。

“‘墨子號(hào)’、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(guó)科學(xué)院？因?yàn)橹袊?guó)科學(xué)院有體系化建制化優(yōu)勢(shì)。”潘建偉說(shuō)。

經(jīng)過(guò)多年布局，我國(guó)量子科技發(fā)展進(jìn)入了快車道。

2023年7月12日，“51個(gè)超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備和驗(yàn)證”這一成果在《自然》在線發(fā)表。這項(xiàng)由中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院（以下簡(jiǎn)稱創(chuàng)新院）和北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)合作完成的研究成果，刷新了所有物理體系中糾纏比特?cái)?shù)目的紀(jì)錄，為基于測(cè)量的量子計(jì)算方案走向?qū)嵱玫於嘶A(chǔ)。

此前不久，來(lái)自中國(guó)科大、清華大學(xué)、濟(jì)南量子技術(shù)研究院、中國(guó)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(guó)科學(xué)家通過(guò)合作，實(shí)現(xiàn)了千公里光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)，創(chuàng)下了光纖無(wú)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(píng)論快報(bào)》。

量子信息領(lǐng)域的科研成果接連面世，是近10年來(lái)我國(guó)在量子科技領(lǐng)域取得長(zhǎng)足進(jìn)步的一個(gè)縮影。

與10年前相比，目前我國(guó)在量子調(diào)控和應(yīng)用領(lǐng)域處于什么水平？

“時(shí)至今日，我國(guó)的量子科技已經(jīng)實(shí)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(guó)際領(lǐng)先地位，量子計(jì)算研究牢固確立國(guó)際第一方陣地位，量子精密測(cè)量研究盡管整體上與國(guó)際領(lǐng)先水平尚存差距，但也有了大幅進(jìn)步，在多個(gè)方向進(jìn)入國(guó)際前列。”潘建偉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

從“對(duì)拍桌子”到“一起拍板”

在“墨子號(hào)”的具體實(shí)現(xiàn)階段，科學(xué)家與工程師在細(xì)節(jié)落實(shí)上，沒(méi)少對(duì)坐在會(huì)議桌前“拍桌子”。

潘建偉說(shuō)，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(huì)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(jìn)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(wèn)題。

“后來(lái)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(shuō)，“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(lái)。

算起來(lái)，這樣合作已經(jīng)10多年了。“我想，未來(lái)還會(huì)繼續(xù)合作，可能一直到我們退休、下一代人退休……我覺(jué)得這是一個(gè)非常重要的經(jīng)驗(yàn)。”潘建偉說(shuō)。

廣泛發(fā)動(dòng)力量、加強(qiáng)協(xié)同合作，是我國(guó)能在量子科技領(lǐng)域持續(xù)進(jìn)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(wèn)題，2016年，中國(guó)科學(xué)院在“率先行動(dòng)”計(jì)劃下，專門成立了創(chuàng)新院。

中國(guó)科學(xué)院在北京、上海、合肥等地，擁有多個(gè)量子科技研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(shí)的人與團(tuán)隊(duì)能夠很好地協(xié)同創(chuàng)新。

科研經(jīng)費(fèi)投入到創(chuàng)新院，原單位的績(jī)效如何評(píng)估？貢獻(xiàn)如何排名？

潘建偉介紹，創(chuàng)新院每年會(huì)做出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)并分發(fā)到各單位——在承擔(dān)國(guó)家重大任務(wù)時(shí)，盡管科研經(jīng)費(fèi)的運(yùn)作是在創(chuàng)新院，但實(shí)際績(jī)效“工分”會(huì)記錄在各研究所；大家在創(chuàng)新院開(kāi)展科研攻關(guān)，產(chǎn)出成果后，創(chuàng)新院可以列為最后一個(gè)完成單位。

“可以說(shuō)，較好地清除了協(xié)同攻關(guān)最大的一個(gè)體制機(jī)制障礙。”潘建偉說(shuō)，在這個(gè)過(guò)程中，大家會(huì)感受到是為了國(guó)家重大任務(wù)和重大需求而團(tuán)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(guó)家主席、中央軍委主席習(xí)近平來(lái)到中國(guó)科學(xué)院考察工作之時(shí)，潘建偉作為“中青年代表”參加了座談會(huì)。

“我在現(xiàn)場(chǎng)能感受到習(xí)近平總書記對(duì)量子科技的高度關(guān)注、對(duì)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(dòng)。

在中國(guó)量子科技前進(jìn)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(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在2011年12月進(jìn)入工程研制階段時(shí)，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(jì)師之一的彭承志35歲。

彭承志還記得，“墨子號(hào)”的原理性實(shí)驗(yàn)開(kāi)始于2003年。當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)想做量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的可行性驗(yàn)證：量子糾纏能不能穿過(guò)大氣層？“潘老師覺(jué)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(shí)現(xiàn)。”

當(dāng)時(shí)，彭承志剛27歲，而且他原本是學(xué)電子學(xué)的。潘建偉說(shuō)，“你工程能力強(qiáng)，大膽去試試”，并建議他“可以去大蜀山做”。

2013年，陸朝陽(yáng)31歲。這年，陸朝陽(yáng)跟著潘建偉去了一趟德國(guó)。回國(guó)后，他開(kāi)始著手光量子計(jì)算方面的研究。經(jīng)過(guò)7年努力，陸朝陽(yáng)作為主要完成人之一，成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”，使我國(guó)成為首個(gè)在光量子體系實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”里程碑的國(guó)家。

“我們對(duì)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(shuō)，“在摸爬滾打的實(shí)踐中，年輕人得到了成長(zhǎng)。”

與此同時(shí)，潘建偉也一直鼓勵(lì)學(xué)科交叉。

趙博2001年7月畢業(yè)于中國(guó)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(guó)后，正趕上團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到“超冷量子化學(xué)”的機(jī)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(méi)說(shuō)，一頭扎進(jìn)這個(gè)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(guó)際超冷量子化學(xué)領(lǐng)域嶄露頭角。

“人才培養(yǎng)，就是為國(guó)養(yǎng)才。國(guó)家有需要，我們就通過(guò)提拔年輕人、進(jìn)行交叉與協(xié)同合作，取得前沿方向的突破。”潘建偉說(shuō)。

事實(shí)上，潘建偉所在的中國(guó)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(guó)科大設(shè)立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)量子信息科學(xué)本科專業(yè)；我國(guó)首個(gè)量子科學(xué)與技術(shù)方向的博士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)也落戶中國(guó)科大；同年7月，中國(guó)科大“未來(lái)技術(shù)學(xué)院”正式成立，旨在面向量子科技發(fā)展對(duì)未來(lái)人才的需求，創(chuàng)新未來(lái)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(tái)，造就一批未來(lái)能夠把握世界科技發(fā)展大勢(shì)、善于統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的世界級(jí)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(duì)伍建設(shè)的問(wèn)題，希望能夠產(chǎn)生世界級(jí)大師，推動(dòng)領(lǐng)軍人才的培養(yǎng)。”潘建偉說(shuō)，經(jīng)過(guò)10年努力，我國(guó)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(duì)伍，“基本能滿足現(xiàn)階段量子科技發(fā)展的需要”。

從“開(kāi)始調(diào)控量子世界”到“帶來(lái)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(kāi)始調(diào)控量子世界，這將極大推動(dòng)信息、能源、材料科學(xué)發(fā)展，帶來(lái)新的產(chǎn)業(yè)革命。

“我感到，‘科學(xué)家們開(kāi)始調(diào)控量子世界’正在一步步變成現(xiàn)實(shí)。我們希望繼續(xù)通過(guò)10年至15年的努力，發(fā)展各種技術(shù)，去實(shí)現(xiàn)總書記‘將極大推動(dòng)信息、能源、材料科學(xué)發(fā)展，帶來(lái)新的產(chǎn)業(yè)革命’的預(yù)言。”

面向未來(lái)，潘建偉向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》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(jìn)一步提高它的速率、減少它的體積、降低它的成本，進(jìn)一步推向?qū)嵱谩Ａ硗猓Ｍ淹ㄐ啪嚯x做得越來(lái)越遠(yuǎn)。”潘建偉說(shuō)，這需要用量子中繼的方式把相距遙遠(yuǎn)的城市連接起來(lái)。

“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(shí)用化的技術(shù)。”他對(duì)記者說(shuō)，“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(shí)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(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，目前創(chuàng)新院正在緊鑼密鼓地開(kāi)展工程研制，希望在2026年底具備發(fā)射條件。”

量子計(jì)算還可以更快。潘建偉說(shuō)，希望用5年左右的時(shí)間，解決量子糾錯(cuò)的問(wèn)題，“進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)千個(gè)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(jī)，將來(lái)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(jì)算的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，他還希望通過(guò)10年到15年的努力，構(gòu)造出可容錯(cuò)的通用量子計(jì)算機(jī)。

量子精密測(cè)量還可以更準(zhǔn)。潘建偉告訴記者，通過(guò)中高軌衛(wèi)星的發(fā)射，希望能夠?qū)崿F(xiàn)萬(wàn)公里的洲際時(shí)頻比對(duì)。

“時(shí)間的同步很重要，比如，時(shí)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(shí)間單位‘秒’帶來(lái)全新的定義。”潘建偉說(shuō)，隨著量子調(diào)控時(shí)代的到來(lái)，國(guó)際計(jì)量大會(huì)已形成決議，7個(gè)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(guó)的貢獻(xiàn)——通過(guò)開(kāi)發(fā)一系列量子精密測(cè)量裝置，改變目前精密測(cè)量格局。”潘建偉說(shuō)，這也是建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)對(duì)我們的一個(gè)必然要求。

來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》