我是浙江東陽人。初中剛剛接觸物理時，我就發現這門學科比較適合我。我這個人記性比較差，背英語單詞有些困難，物理則很簡單，不需要死記硬背，理解之後記幾個簡單的公式，很多東西就能推演出來。我還記得初三暑假，我躺在床上，物理教科書像放電影一樣一頁頁在我腦海中閃過。
1987年，我參加了高考。那時候改革開放快10年了，一方面很多人說要搞經濟，一方面大家又認為“學好數理化，走遍天下都不怕”。當時我糾結的是學經濟管理還是學物理，我想學物理，又怕將來難以養家餬口。父母安慰我說：“我們有退休工資，你不用擔心。”
於是我報考了中國科學技術大學近代物理系，進入了物理學的殿堂。牛頓力學、電動力學、統計力學等學科我都學得不錯，但是大三的量子力學把我搞糊塗了。傳統的牛頓力學有點像決定論，原則上一切東西可以計算出來，比如一旦確定了初始條件，你可以預知物體的位置、月亮的軌跡等。但量子力學的很多觀念和經典物理學完全不一樣，它有我們熟悉的確定性和必然性，又有不確定性以及或然性。量子力學的奇怪之處在於，微觀世界裡一個微小粒子，在特定條件下能同時既在桌子上又在地板上，既在北京又在上海，就像孫悟空會分身術一樣，這種現象被稱為“量子疊加”。當把量子疊加擴展到兩個粒子時，就會出現“量子糾纏”現象，處於糾纏態的粒子即使相隔很遠，當對其中一個進行測量改變其狀態時，另一個狀態也會即刻發生相應的改變。
這簡直太奇怪了，我無法理解量子世界的這些特性，苦苦思索以至於疏於做題，期中考試差點沒及格。我被量子力學深深地吸引，集中研究和總結了量子世界的各種佯謬，寫進了本科畢業論文。有些佯謬非常有趣，比如量子芝諾佯謬，意思是如果你盯著一個物理體系，一直在測量它，這個體系就不再演化了。通俗一點說，比如你想讓母親永葆青春，最好一直盯著她看，這樣她就會永遠年輕。
做本科論文時，我得到一個結論，如果量子糾纏在往兩邊送的時候，中間被人偷偷測量過，兩個粒子之間的糾纏就消失了。這種特性能提供一種安全的密碼分發手段，如果信息傳送中被人偷看過，就會影響糾纏關係，從而被傳遞者發現，這其實就是量子保密通信的基本原理。
事實上，量子力學的奧秘相當深邃。量子力學的創始人之一玻爾說，如果學了量子力學後，你不覺得奇怪，不覺得不可思議，不犯糊塗，那你根本就沒學懂。著名物理學家理查德·費曼則直截了當地說，世界上沒有一個人懂量子力學。
後來我想，既然量子力學的基礎理論短時間內無法取得突破，不妨先做實驗驗證已有的理論是否正確。物理學終究是門實驗科學，再奇妙的理論若得不到實驗檢驗，也無異於紙上談兵。
20世紀90年代中期，我碩士畢業。當時中國的經濟已見起色，但國家依然沒有足夠的財力來建設實驗室，如果想做量子物理實驗，需要到國外留學。1996年，我到了量子力學研究的重鎮奧地利因斯布魯克大學攻讀博士學位，師從量子實驗研究的著名學者安東·塞林格。我至今仍清晰地記得第一次見到塞林格教授時，他問我未來的計劃是什麼，我回答：“在中國建一個和您的實驗室一樣的世界一流的量子光學實驗室。”
到奧地利不久，我發現一個有趣的現象：通過特定操作，可以利用量子糾纏，把一個粒子的狀態傳遞到另外一個粒子上，而不用傳遞這個粒子本身。我很興奮，在實驗室的組會上做了報告。但是我講完之後沒有一個人提問，過了一會兒才有一個人站起來說：“建偉，你知不知道量子隱形傳態？”我說：“不知道。”他就沒再說什麼。之後我才知道，我的想法1993年就有科學家已經提出來了，就叫作“量子隱形傳態”。那個時候，中國的文獻極度缺乏，我們的信息和國外是脫節的，很多學術上的前沿研究我們並不能及時知道。
不過我的報告讓導師塞林格非常高興。他告訴我，實驗室正準備做光量子隱形傳態實驗，於是我要求加入實驗。1997年，我們成功把一個粒子的狀態從一個地方傳到另外一個地方，但是這個粒子本身並沒過去。這就像科幻故事裡的星際旅行一樣，這邊的人消失了，然後在那邊重構出來，這樣的研究太讓人興奮了。我們的工作報告發表在《自然》雜誌上，後來被認為是量子信息實驗領域的開端之作。這一工作同時被美國物理學會、歐洲物理學會和《科學》雜誌評為年度十大進展，並被《自然》雜誌在其特刊選為“百年物理學21篇經典論文”。
這項工作堅定了我從事量子物理實驗研究的信心。那時，不管是量子隱形傳態還是量子保密通信，傳輸的距離只有幾十釐米，根本沒有什麼實用價值。要做實用性的量子通信，首先需要遠距離傳輸，其次要解決現實條件下的安全性問題，這些內容成了之後20年我研究的主要方向。
為什麼要做量子保密通信呢？我們目前所有的經典加密算法都依賴於計算複雜度，只要擁有足夠強大的計算能力，原則上都可以破解。而量子通信可以提供一種原理上無條件安全的加密手段，量子密鑰在量子通信中的作用就像火漆一樣，但比火漆更徹底，一旦有人試圖打開信件，量子密鑰就會讓信件自毀，並讓使用者知曉。
然而，要實現遠距離的量子通信，還要依靠量子中繼，而量子中繼的核心環節是量子存儲技術。當時國內的研究基礎依然很薄弱，從2003年起，我一方面在科大大力發展光量子信息技術，另一方面到冷原子和原子芯片領域具有很強實力的海德堡大學物理所工作，以客座教授的身份在歐洲通過各種渠道申請經費支持，並從國內招收研究生和博士後，為我國培養冷原子量子存儲方面的研究力量。
2008年，在完成了充分的技術積累和人才儲備後，我放棄了在海德堡大學的職位，全心回國工作，同時把自己在德國海德堡大學的實驗室搬回科大。搬家清單足足列了120頁，大到激光器，小到12毫米鏡片，全都帶回來了。德國《明鏡週刊》採訪我，問為什麼回去。我說我喜歡研究科學，我也很愛中國，既然能在自己的國家做研究，當然要回去。從大的時代背景來說，改革開放幾十年之後，國家有國力支持前沿科學研究，我們在國內照樣能夠做出一流的研究。
2016年8月16日，我國發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”，之後成功實現了三大既定科學目標，在國際上率先實現了千公里級星地雙向量子糾纏分發、千公里級星地高速量子密鑰分發和千公里級地星量子隱形傳態，這些原理性實驗都證明了利用衛星平臺進行遠距離甚至全球化的量子通信是可行的。
量子衛星的成功引起了國際學術界的廣泛關注，受到了高度肯定。但在量子衛星立項和研製過程中，也時常出現一些疑慮。人們常問：美國、歐洲都沒有發射量子衛星，我們國家先搞，到底靠不靠譜？回覆質疑的最好辦法就是做好自己的工作。在國家的堅定支持下，我們不負所托，達到量子通信研究國際領先的水平，使我國在信息安全領域至少擁有了一項不懼國外封鎖、掌握在自己手中的核心技術。此後，受量子衛星成功實施的影響，歐洲、美國對這個領域的重視程度日漸增強，紛紛跟進，提出了空間量子實驗的計劃，國家級戰略項目也相繼啟動。
這麼多年過去了，研究越深入，我越能體會量子力學的神奇，我想我這輩子可能也無法理解量子力學的真諦了。這就好比1000年前上帝給了人類兩個手機，古人想破頭也無法理解為什麼這個東西能千里傳信。現代人可能還沒有回答量子力學本質的能力，或許幾十年、幾百年，甚至幾千年之後，如果人類還沒有毀滅，可能會弄明白。所謂“朝聞道，夕死可矣”，如果能讓我搞清量子糾纏的本質，這輩子就沒有白活。
儘管我們無法理解量子力學一些奇妙現象的本質，但並不代表不能應用。就像很多藥物誕生之初，人們也不明白它為什麼有效，直到若干年後基礎科學進步了，才知道它的作用機制。
目前，量子計算技術依然處於實驗階段，估計還要二三十年才能實用化。量子保密通信則已經進入了實用化階段，我希望未來能發射3～5顆低軌道衛星和一顆高軌道地球同步衛星，構建完整的空地一體廣域量子通信網絡體系，並且與經典通信網絡實現無縫鏈接，廣泛、深入地服務於國家信息安全。
【採訪手記】
中國的科研很大程度上是在跟隨發達國家的腳步，而量子通信技術卻做到了全球領先，給了中國科學家極大的自信。
量子信息技術是一個全新的學科，主要包括量子通信、量子計算和量子精密測量三個方面。量子通信可以提供原理上無條件安全的通信手段，量子計算可以帶來計算能力的巨大飛躍，量子精密測量可以超越經典方法的測量精度。這三者中，量子通信是最先得以實用化的量子信息技術。
從理論上來說，以往建立在計算複雜度基礎上的加密算法，都是可以被破解的。第一臺現代計算機的誕生，就是為破解複雜的數學密碼。隨著計算機的飛速發展，破譯數學密碼的難度也逐漸降低，信息安全面臨的挑戰隨之上升。而量子通信基於單光子不可被分割、未知量子態無法被克隆等特性，可以做到原理上的無條件安全。
為了將量子通信技術推向應用，潘建偉深耕20年，其間遇到各種阻力和困難。1999年，29歲的潘建偉博士畢業準備回國工作，那時量子信息研究在國內幾乎一片空白，不僅不被承認，還被認為是偽科學。在這種環境下，想要申請國內科研經費自然非常困難。潘建偉無奈之下，申請了國外大學的教職，同時也繼續利用假期回國講學，為我國在量子信息領域的發展提出建議，並帶動一批研究人員進入該領域。
天無絕人之路。就在當年，知名學術期刊《自然》評選出“百年物理學21篇經典論文”，潘建偉於1997年發表於《自然》雜誌的論文《量子態隱形傳輸》赫然在列。值得一提的是，與該成就並列的還包括倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構等經典論文。
阿爾伯特·愛因斯坦是潘建偉的偶像。他熟讀《愛因斯坦文集》，大學時還有個綽號叫“阿爾伯特”。在潘建偉看來，學得越多，越能感到愛因斯坦之偉大。愛因斯坦對物理學的各個方向都做出了深刻的貢獻，比如說引力波、量子糾纏、凝聚態物理、大統一理論等。而量子力學則讓愛因斯坦備感頭疼，他曾形容量子糾纏現象是“鬼魅般的超距作用”。愛因斯坦或許不曾想到，正是他所質疑的量子糾纏現象，引發了量子信息這一全新的學科。
潘建偉也沒料到，自己會以這種特殊的方式向愛因斯坦致敬。消息傳到國內，他所從事的研究開始得到認可，提交的科研項目也終於獲得了中國科學院和國家自然科學基金委的支持。拿著700萬元資金，潘建偉開始在母校中科大著手組建實驗室。之後幾年，他所在的團隊頻頻在國際頂級期刊發表高質量論文，41歲的他於2011年當選中科院“最年輕院士”，2012年榮獲國際量子通信獎。
2016年8月16日，全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射成功，世界首次實現了衛星和地面之間的量子通信。2017年9月29日，量子保密通信幹線——“京滬幹線”開通。京滬幹線和量子衛星相結合，構建了我國的廣域量子通信體系的雛形，為率先建成全球化的量子通信衛星網絡奠定了基礎。
“墨子號”發射那年，歐盟和美國也頒佈了各自的國家級研究計劃。2016年5月，歐盟量子大會上宣佈啟動10億歐元的量子技術旗艦計劃，連同各國和企業的配套，總經費將超過30億歐元。美國政府在每年斥資2億美元資助量子信息科學領域的基礎和應用研究的基礎上，2018年6月，國會通過了為期10年的“國家量子行動計劃”法案，未來4年間將投入約13億美元。
除了量子通信之外，潘建偉領導的團隊還專注於量子計算與模擬、量子精密測量等領域。利用量子態的疊加性質，量子計算可以實現計算能力的飛躍，將為解決經典密碼分析、氣象預報、藥物設計等大規模計算難題提供全新的方案。量子精密測量技術可以大幅提升自主導航、環境監測、醫學檢驗等領域的精度，也將會為引力波探測提供理想的工具，傾聽來自宇宙的回聲。“探索科學能讓人獲得一種平靜的快樂，你可以躲進小樓成一統，尋找自然界的和諧與美。”
（本文原題：潘建偉和量子“糾纏”的人生，選自現代出版社2019年出版的《光榮與道路——中國大時代的精英記憶》一書）
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