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2015年国家最高科技奖出现空缺,国家自然科学奖一等奖花落中国科大潘建伟团队的“多光子纠缠及干涉度量”.
这是一个始于1997年,从追随到赶超的精彩故事.早在2012年12月,《自然》杂志在报道潘建伟团队时曾写道：“在量子通信领域,中国用了不到10年的时间,由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美.”
“我一直都知道他（潘建伟）会有一个精彩的职业,但是他的成功令人难以置信,我想这是任何人都没有预见到的.我为他感到骄傲.”三年前,奥地利维也纳大学物理学家Anton Zeilinger在接受《自然》杂志采访时说.
“建伟教授和他的合作者于1997年最早开始从事量子态的隐形传输,这实际上是拉开了量子通信研究的一个序幕.回国以后他带领团队,把研究对象从量子通信,很快又扩展到了量子计算等方面,仅仅十几年的时间,他们把国家在量子通信、量子计算领域的研究从追随者很快变成了一个引领者,这方面建伟和他的团队做出了很大的贡献.”2015年4月,在未来论坛的讲座上,北京大学物理学教授谢心澄这样评价潘建伟.
功到自然成.2016年1月8日,中国科学院院士潘建伟及其团队的“多光子纠缠及干涉度量”研究,获得我国自然科学领域的最高奖项—国家自然科学一等奖.
多光子纠缠干涉量度学是基于人类对于量子力学基本问题（如量子纠缠、非定域性）的深入研究和实验量子调控技术的巨大进步发展起来的新兴学科.
根据量子物理理论,人们可以通过对光子、原子等微观粒子的精确操纵,以一种变革性的方式对信息进行编码、调制和传输,在确保通信安全和提升计算速度等方面能够突破经典信息技术的瓶颈.所以,对这些微观粒子纠缠的相干操纵是发展实用化量子信息和量子通信必须的技术准备.
基于这种思路,潘建伟和他的团队选择将光子作为研究和操纵对象,用了十几年的时间,极大地发展了多光子纠缠和干涉技术,并通过操纵光子,率先实现了量子信息处理关键方案（如量子隐形传态）和几乎所有的重要量子算法,继而系统地应用于量子通信、量子计算和量子精密测量等多个研究方向,这不但奠定了广域量子通信和光学量子信息处理的科学基础,也将量子保密通信技术带入现实应用.
可以说,以潘建伟为代表的一批“领跑者”,通过发展多光子纠缠干涉量度学,引领和推动了我国的量子信息和量子通信研究的热潮,也奠定了我国在该领域极具特色的国际优势.
量子通信和量子信息,无论在国际还是国内,都算得上是年轻的前沿学科.它对于潘建伟来说,从他作为博士研究生在导师Anton Zeilinger教授的实验组首次实现光子的量子隐形传态算起,也仅仅过去了十八九个年头.
现如今,潘建伟已经带领自己的团队,率先完成了包括五、六、八光子纠缠,利用多光子操纵率先实现量子信息处理关键方案,全面发展了面向实用化保密量子通信的光量子传输方法等一系列先驱性的系统工作.
他领导的团队的研究方向主要是量子通信、量子计算与模拟、量子精密测量.其中,在量子通信方面,有量子保密通信骨干网工程“京沪干线”“量子科学实验卫星”在研;在量子计算的基础性研究方面,多次刷新多光子纠缠制备世界纪录;在量子导航、生命科学等方面,推动运用高精度量子测量手段开展研究.
“我至今仍清晰地记得第一次见到Zeilinger教授时,他问我的梦想是什么,我回答说：‘在中国建一个像您的实验室这样世界领先的量子光学实验室’.”在一篇回忆性的自述中,潘建伟写道.
1996年,潘建伟来到奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck）,跟随奥地利物理学家Anton Zeilinger攻读实验物理学博士学位.
在此之前,潘建伟在中国科学技术大学完成物理本科教育,并取得理论物理硕士学位.在那里,潘建伟第一次接触到量子力学,了解到在微观世界里有很多奇特的现象.然而,随着研究的深入,潘建伟越发认识到,量子理论中的各种悬疑需要尖端的实验技术才能得以验证,而当时国内在这方面与国际先进水平相比还比较落后.
海外留学,中国物理专业的学生很自然的一个选择是到美国.事实上,很多学生曾开玩笑说,中国科学技术大学的英文首字母缩写“USTC”实际上代表的是“United States Training Center（美国训练中心）”.
那时,Anton Zeilinger在因斯布鲁克大学建立了自己的量子实验室,已经是量子物理领域的专家.他需要找人来验证自己的一些想法.就在此时,26岁的潘建伟来了.
“他刚来时,对实验室的工作一无所知,但是他很快就掌握了实验的规则,并开始设计自己的实验.”Zeilinger教授在《自然》杂志的采访中说道.
1997年,进入Zeilinger实验室刚刚一年的潘建伟和同事完成了最为重要的一个实验,他们在国际上首次隐形传送一个光子的极化状态.
量子隐形传态（quantum teleportation）的概念由美国科学家C.H.Bennett在1993年提出,是一种由量子态携带信息的通信方式,利用光子等基本粒子的量子纠缠原理,将量子未知的一个状态传送到另外一个粒子上去.
量子力学中的“不可克隆定理”指出,未知量子状态首先不可克隆,被复制的原量子态会遭到破坏,我们并不能够制造出一个量子态完美的复制品,而只能将原量子态从一个粒子完全地传送到另一个粒子,随后第一个粒子将不再处于原量子态.
Zeilinger小组于1997年在实验上实现了基本粒子单一自由度的传输,但是对于量子隐形传态来说,真正要传输一个微观粒子的状态,需要把一个微观粒子所有的性质都传过去.这是摆在世界量子信息科学家面前的一个难题.后面我们知道,潘建伟和他的团队在2015年年初首次实现了单光子多自由度的量子隐形传态,打破了量子隐形传态长达18年的实验僵局.
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参考文献：
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