二十年前，潘建偉團(tuán)隊在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）提出發(fā)射量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的想法之初，國際上許多學(xué)者都認(rèn)為不太現(xiàn)實——要把一個個單光子那么微弱的信號，從1000公里的外太空空送到地面，還要能夠接收并探測到它，難度太大。
國際上一位量子通信領(lǐng)域的資深學(xué)者、日內(nèi)瓦大學(xué)尼古拉斯·吉辛(Nicolas Gisin)教授甚至說：“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現(xiàn)。”
從“一個團(tuán)隊”到“一個兵團(tuán)”
僅靠中國科大一個團(tuán)隊確實不行。
“但我們注意到，中國科大的核技術(shù)國家重點實驗室有成熟的單光子電子學(xué)探測技術(shù)和調(diào)控技術(shù)，中國科學(xué)院上海技物所在空間光機(jī)終端系統(tǒng)方面有深厚積累。另外，中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院的衛(wèi)星平臺可以滿足發(fā)射衛(wèi)星需要，中國科學(xué)院成都光電技術(shù)研究所的地面望遠(yuǎn)鏡則在信號接收方面能夠提供保障?！迸私▊フf，中國科學(xué)院從器件到載荷研發(fā)、從空間技術(shù)到地面光學(xué)技術(shù)等各方面都有技術(shù)力量支撐。
在中國科學(xué)院的統(tǒng)一組織之下，潘建偉團(tuán)隊聯(lián)合各單位，通過有效整合科技力量，組織起了大兵團(tuán)科研攻關(guān)。2016年8月16日，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星成功發(fā)射升空。
“墨子號”科學(xué)實驗任務(wù)的完成，使得我國率先在國際上實現(xiàn)星地量子通信；2017年，量子保密通信骨干網(wǎng)絡(luò)“京滬干線”正式開通，并與“墨子號”連接，實現(xiàn)世界首次洲際量子通信。
“墨子號”量子衛(wèi)星與“京滬干線”骨干網(wǎng)構(gòu)建首個天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形。中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院供圖，下同
在量子計算領(lǐng)域，“九章”光量子計算原型機(jī)、“祖沖之二號”超導(dǎo)量子計算原型機(jī)先后實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”里程碑，使我國成為目前唯一在兩種物理體系都實現(xiàn)這一關(guān)鍵技術(shù)突破的國家。
76個光子的量子計算原型機(jī)“九章”
66比特超導(dǎo)量子計算原型機(jī)“祖沖之二號”
“‘墨子號’、量子京滬干線、‘九章’……量子科技領(lǐng)域這些極具代表性成果，為什么都產(chǎn)生于中國科學(xué)院？因為中國科學(xué)院有體系化建制化的優(yōu)勢。”潘建偉說。
經(jīng)過多年體系化建制化布局，我國量子科技發(fā)展已邁入快車道。
2023年7月12日，一項“51個超導(dǎo)量子比特簇態(tài)制備和驗證”的成果在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志在線發(fā)表。這項由中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院與北京大學(xué)合作研究團(tuán)隊完成的研究成果，刷新了所有物理體系中糾纏比特數(shù)目紀(jì)錄，為基于測量的量子計算方案走向?qū)嵱玫於嘶A(chǔ)。
距此不久前，由來自中國科大、清華大學(xué)、濟(jì)南量子技術(shù)研究院、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所等的中國科學(xué)家通過合作，實現(xiàn)了千公里光纖點對點遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)，創(chuàng)下了光纖無中繼量子密鑰分發(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。該成果于5月25日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》雜志。
量子信息領(lǐng)域的科研成果接連涌現(xiàn)，是近十年來我國在量子信息科技領(lǐng)域取得長足進(jìn)步的一個縮影。
與10年前相比，目前我國在量子調(diào)控和應(yīng)用領(lǐng)域處在什么水平？
“時至今日，我國的量子科技已經(jīng)實現(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)居國際引領(lǐng)地位，量子計算研究牢固確立國際第一方陣地位，量子精密測量研究盡管整體上與國際領(lǐng)先水平尚存差距，但也有了長足進(jìn)步，在多個方向進(jìn)入國際前列?！迸私▊ジ嬖V《中國科學(xué)報》。
從“對拍桌子”到“一起拍板”
在“墨子號”的具體實現(xiàn)階段，科學(xué)家與工程師們在具體細(xì)節(jié)落實上，沒少對坐在會議桌前“拍桌子”。
潘建偉說，科學(xué)家希望追求更高的科學(xué)目標(biāo)，想法就更加大膽，工程上的穩(wěn)定性可能會打折扣。而工程上為了保證順利完成發(fā)射任務(wù)，就希望把難度降低一些。工程師們擔(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，下一秒就會出問題。
“后來我們達(dá)成了一種做法，就是‘首席科學(xué)家+工程總指揮+工程總師’的決策組織模式。遇到分歧的事情，大家一起拍板?！迸私▊フf，“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。
從 2012 年墨子號開始，到后來的天宮二號量子密鑰分配載荷、濟(jì)南一號，算下來，這樣合作已經(jīng)十多年了?！拔蚁?，未來還會繼續(xù)合作下去?！迸私▊フf：“可能一直到我們退休，到下一代人退休，都會很好的合作下去，我覺得這是一個非常重要的一個經(jīng)驗。”
廣泛發(fā)動力量、加強(qiáng)協(xié)同合作，是我國能夠在量子科技領(lǐng)域持續(xù)進(jìn)步的一大“法寶”。
為了解決科技體制與科技快速發(fā)展要求不相適應(yīng)的問題，2016年，中國科學(xué)院在“率先行動”計劃下，專門成立了中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院（以下簡稱創(chuàng)新院）。
潘建偉告訴記者，中國科學(xué)院在北京、上海、合肥等地，擁有多個開展量子科技各項研發(fā)的團(tuán)隊和力量。而通過成立創(chuàng)新院，能夠讓不同單位、具有不同學(xué)科背景和專業(yè)知識的人或團(tuán)隊，能夠很好地協(xié)同創(chuàng)新。
科研經(jīng)費投入到創(chuàng)新院，原單位的績效評估如何考量？貢獻(xiàn)如何排名？
“這樣組織起來，評價體系要經(jīng)得住考驗?！迸私▊ソ榻B說，創(chuàng)新院每年會給出相應(yīng)的統(tǒng)計并分發(fā)到各單位——在承擔(dān)國家重大任務(wù)中，盡管科研經(jīng)費的運作是在創(chuàng)新院，但實際績效“工分”會記錄在各研究所；大家在創(chuàng)新院開展科研攻關(guān)，產(chǎn)出成果后，創(chuàng)新院可以列為最后一個完成單位。
“可以說，協(xié)同攻關(guān)的最大的一個體制機(jī)制障礙，目前已經(jīng)比較好地解決了?！迸私▊フf，在這個過程中，大家也會感受到是為了國家重大任務(wù)和重大需求，團(tuán)結(jié)協(xié)作一起來干事創(chuàng)業(yè)。
從“大膽啟用年輕人”到“成為主導(dǎo)力量”
2013年7月17日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習(xí)近平來到中國科學(xué)院考察工作之時，潘建偉作為“中青年代表”參加了座談會。
“總書記當(dāng)時問我，‘你來自哪個單位，具體做什么研究？’我說我來自中國科大，正在做量子信息方面研究。我在現(xiàn)場能感受到，習(xí)近平總書記對量子科技的高度關(guān)注、對量子科技工作者的殷切期待。”十年后再回顧，潘建偉仍難掩激動。
在中國量子信息科技前進(jìn)的路上，年輕的科學(xué)家，一直被“大膽啟用”，直到成為主導(dǎo)力量。
“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在2011年12月進(jìn)入工程研制階段時，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)計師之一的彭承志，35歲。
彭承志還記得，“墨子號”的原理性實驗開始于2003年。當(dāng)時團(tuán)隊想做一下量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的可行性驗證：量子糾纏能不能穿過大氣層？“潘老師覺得，量子通信的基本原理已經(jīng)比較清楚，就想讓我去做量子保密通信的工程實現(xiàn)?！?/p>
當(dāng)時，彭承志剛滿27歲，而且他原本是學(xué)電子學(xué)的。潘建偉把他叫來委以重任：“你工程能力強(qiáng)，大膽去試試?！辈⒔ㄗh他“可以去大蜀山去做”。
2013年，陸朝陽31歲。這年，陸朝陽跟著潘建偉去了一趟德國?；貒?，他開始著手光量子計算方面的研究。經(jīng)過7年的努力，陸朝陽作為主要完成人之一，成功構(gòu)建76個光子的量子計算原型機(jī)“九章”，使我國成為首個在光量子體系實現(xiàn)“量子計算優(yōu)越性”里程碑的國家。
“我們對年輕人的態(tài)度就是，只要年輕人能干、愿意干，就放手讓他們?nèi)ジ伞！迸私▊フf：“在摸爬滾打的實踐中，年輕人得到了成長?！?/p>
與此同時，潘建偉也一直鼓勵學(xué)科交叉。
趙博2001年7月畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系，一直到博士畢業(yè)、博士后出站，一直做理論物理方面的研究。2012年回國后，正趕上團(tuán)隊認(rèn)識到“超冷量子化學(xué)”的機(jī)理研究正在蓬勃發(fā)展、非常重要，就被潘建偉告知“你可能需要轉(zhuǎn)一下行”。
趙博二話沒說，一頭扎進(jìn)這個領(lǐng)域，一鉆就是七八年。如今，他帶領(lǐng)的小組開始陸陸續(xù)續(xù)在 Nature、Science 發(fā)論文，逐漸在國際超冷量子化學(xué)領(lǐng)域嶄露頭角。
“人才培養(yǎng)，就是為國養(yǎng)才。國家有需要，我們就可以通過提拔年輕人、敢于交叉與協(xié)同合作，去取得前沿方向的突破?！迸私▊フf，這是“我們非常自豪的一個經(jīng)驗”。
事實上，潘建偉所在的中國科大，不斷在量子科技人才培養(yǎng)模式上探索創(chuàng)新。
2021年，為了滿足量子科技人才培養(yǎng)的需要，中國科大設(shè)立了國內(nèi)第一個量子信息科學(xué)本科專業(yè)；我國首個量子科學(xué)與技術(shù)方向的博士學(xué)位授權(quán)點也落戶中國科大；同年7月，中國科大“未來技術(shù)學(xué)院”正式成立，旨在面向量子科技發(fā)展對未來人才的需求，創(chuàng)新未來科技創(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，造就一批未來能夠把握世界科技大勢、善于統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的世界級科學(xué)家和領(lǐng)軍人才。
“一系列舉措，就是為了解決人才培養(yǎng)與隊伍建設(shè)的問題，希望能夠產(chǎn)生世界級大師，推動領(lǐng)軍人才的培養(yǎng)?！迸私▊フf，經(jīng)過 10 年努力，我國在量子科技領(lǐng)域方面已形成了一支體量適度、學(xué)科均衡的人才隊伍，“基本能滿足現(xiàn)階段量子科技發(fā)展的需要”。
從“開始調(diào)控量子世界”到“帶來新的產(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)家們開始調(diào)控量子世界，這將極大推動信息、能源、材料科學(xué)發(fā)展，帶來新的產(chǎn)業(yè)革命。”
“我感到，‘科學(xué)家們開始調(diào)控量子世界’正在一步步變成現(xiàn)實。我們希望繼續(xù)通過10~15年的努力，發(fā)展各種技術(shù)，去實現(xiàn)總書記后半句‘將極大推動信息、能源、材料科學(xué)發(fā)展，帶來新的產(chǎn)業(yè)革命’的預(yù)言?！?/p>
面向未來，潘建偉向《中國科學(xué)報》展望了量子科技向前發(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、減小它的體積、降低它的成本，進(jìn)一步地推向?qū)嵱?。另外，希望把通信距離做得越來越遠(yuǎn)?！迸私▊フf，這需要量子中繼的方式把距離遙遠(yuǎn)的城市連接起來。
“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用化的技術(shù)?！彼麑τ浾哒f：“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)星組成的實用化的‘量子星座’，第一顆量子微納衛(wèi)星已經(jīng)在去年7月發(fā)射成功，后續(xù)我們還將繼續(xù)發(fā)射這樣的低成本的微納衛(wèi)星。我們還將發(fā)射一顆中高軌量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，目前創(chuàng)新院正在緊鑼密鼓地開展工程研制，希望在2026年底具備發(fā)射條件?！?/p>
下一代衛(wèi)星量子通信示意圖
量子計算，還可以“更快”。潘建偉說，希望用5年左右的時間，能夠解決量子糾錯的問題，“進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)千個量子比特的相干操縱”。如此，可以構(gòu)造出專用的量子模擬機(jī)，將可以來解決一些具有重大科學(xué)意義的、非常復(fù)雜難以計算的問題，在此基礎(chǔ)上，他還希望通過10到15年的努力，構(gòu)造出可容錯的通用量子計算機(jī)。
量子精密測量，還可以“更準(zhǔn)”。潘建偉告訴記者，通過中高軌衛(wèi)星的發(fā)射，希望能夠?qū)崿F(xiàn)萬公里的洲際時頻比對。
“時間的同步很重要，比如，時間同步精度要能夠達(dá)到10-18秒——100億年只差一秒這樣的精度，這將帶來全新的時間單位‘秒’的定義?！迸私▊フf，隨著量子調(diào)控時代的到來，國際計量大會已形成決議，要把所有7個基本物理量都要用量子化方法來重新定義。
“我們希望這其中有中國的貢獻(xiàn)——通過發(fā)展系列的量子精密測量的裝置，改變目前的精密測量格局。”潘建偉說，這是我們建設(shè)科技強(qiáng)國的一個根本。
