中科院量子創新研究院：智者先行 不可估量

具有革命性意義的量子科技近年來成為世界各科技強國投入巨資搶佔的高地。值得一提的是，在中國科學院的遠見卓識和提前布局之下，中國科學家已然走到了這一領域的前列，成為被國際同行追趕的目標。

2014年，中科院啟動實施「率先行動」計劃，依託中國科學技術大學建設的量子信息與量子科技前沿卓越創新中心成為首批成立的卓越中心之一，承擔起「尖刀連」的作用。3年後，卓越中心又正式「升級」為創新研究院，凝聚了更多國家科技力量協同創新，承擔起服務國家重大需求的歷史使命。

如今，經過多年積累，量子信息與量子科技創新研究院摸索出一套規範且高效的協同創新組織架構和運行管理模式，在不到3年的時間內取得了一系列重大創新成果。

目前，科技創新2030—重大項目「量子通信與量子計算機」呼之欲出。在這一輪量子科技革命的浪潮中，中科院量子信息與量子科技創新研究院正乘著改革的東風，奮勇前進、繼續領跑。

■本報記者 陳歡歡

2016年8月16日凌晨，世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」在酒泉升空。從此，浩瀚的星空中多了一顆中國製造的「量子星」。

就在此前幾天，另一枚「重磅炸彈」已然釋放。2016年8月8日，國務院印發《「十三五」國家科技創新規劃》，其中明確提出部署「量子通信與量子計算機」重大項目。

「墨子號」不僅將中國人的名字寫進了量子物理學歷史，亦如一顆投入水中的小石子，激起層層漣漪。美國、歐洲、日本紛紛啟動國家級量子計劃。

智者先行，故從者眾。它們追趕的目標只有一個——中國。

量子信息與量子科技創新研究院揭牌。

搭上改革快車

「以前做夢也想不到我們會來這裡。」坐在位於上海浦東的辦公室里，中國科學院院士、中科院量子信息與量子科技創新研究院（以下簡稱創新研究院）院長潘建偉向《中國科學報》感慨說。

2007年，為了方便同中科院上海技術物理研究所（以下簡稱上海技物所）、中科院上海微小衛星工程中心（現中科院微小衛星創新研究院）等單位合作開展衛星量子通信的關鍵技術攻關，潘建偉的團隊選擇將中國科學技術大學上海研究院作為落腳點。

時至今日，這裡仍未被公共交通網路覆蓋，距離最近的公交車站、地鐵站都在兩公里以上。那幾年，團隊的骨幹成員每天去30公里外的上海技物所「上班」，有時加班太晚，乾脆就住在附近的賓館，第二天起來接著干。

為了「墨子號」，中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）同中科院系統的多家兄弟單位——上海技物所、上海光學精密機械研究所、上海微系統與信息技術研究所、微小衛星創新研究院、光電技術研究所（以下簡稱光電所）等形成了緊密的合作關係。這樣的基礎使其日後順利成為中科院首批啟動建設的4個卓越創新中心之一的核心團隊。

2014年，中科院啟動實施「率先行動」計劃。作為提綱挈領的一項重要舉措，研究所分類改革得以迅速展開。其中，集合優勢單位協同創新，發揮「尖刀連」的作用，並在某一個方向迅速邁向國際前沿，是卓越創新中心承擔的歷史使命。彼時，中國科大的量子信息科技研究正好具備了這樣的基礎。

量子指的是物質不可再分的基本單元，例如光量子（即光子）就是光能量的最低單元，不可再分為「半個」光子、「三分之一」個光子了。量子糾纏是奇特的量子力學現象。通俗地說，兩個處於量子糾纏狀態的粒子就像有「心靈感應」，無論相隔多遠，對其中一個粒子進行測量得到某一結果，另一個粒子也會瞬時相應塌縮到某一量子狀態。因此，由此衍生出來的量子通信技術，是唯一被嚴格證明的無條件安全通信方式，可以有效保障國防、政務、金融等領域的信息安全傳輸。

量子信息科技所具有的革命性意義已不言而喻，世界各科技強國都投入巨資搶佔制高點。但在上世紀90年代末，量子信息科技的實驗研究還處於早期發展階段，中國科大雖然起步較早、在某些方向領先，但幾支團隊規模都較小。

「慢慢地我們發現要做出高質量原始創新，靠這種單一實驗小組的模式不行。」潘建偉回憶。尤其是2011年量子科學實驗衛星項目啟動，這項原本屬於基礎研究的工作正式進入追求零失敗的航天工程領域，愈發凸顯出多學科交叉、各項關鍵技術集成的必要性。

中科院高度重視量子信息科技的布局和發展。2014年10月，中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心（以下簡稱卓越中心）正式成立，依託中國科大建設。

成立之後，國際國內形勢風起雲湧，卓越中心很快產生了危機感。在國內，量子信息上升為國家戰略，國家層面抓緊部署科技創新2030—重大項目「量子通信與量子計算機」，並積極籌建量子信息領域的國家實驗室。國際上，第二次量子革命方興未艾，美國、歐盟、英國等發達國家紛紛投入重金部署國家級量子科技計劃。

「這意味著我們隨時有『起個大早、趕個晚集』的風險，本來我們只把『腦袋』放到卓越中心，現在則需要部署全鏈條集成。」潘建偉說。

2016年底，卓越中心適時向中科院黨組提出，為了更好地承擔起國家在量子信息科技領域的戰略，將小而精的「尖刀連」拓展為體量更大的「集團軍」——量子信息與量子科技創新研究院。

這一請求迅速得到響應。2017年7月，卓越中心正式轉為創新研究院，服務於國家重大科技項目，並為籌建國家實驗室作積極探索。同年，合肥綜合性國家科學中心建設方案得到國家發展改革委和科技部聯合批複，而創新研究院將作為骨幹力量參與建設。

「可能因為我們的方向比較新，總是幸運地趕上中科院改革的第一班車。」潘建偉說。

搭著這班順風車，卓越中心以及其後的創新研究院很快取得了一系列重大創新成果：「多光子糾纏干涉度量學」研究成果獲得2015年度國家自然科學獎一等獎；首次實現多自由度量子隱態傳輸，並被英國物理學會評為年度國際物理學十大突破之首；開通首條遠距離量子通信幹線——「京滬幹線」，為探索量子通信幹線業務運營模式進行技術驗證，已在金融、電力等領域初步開展了應用示範並為量子通信的標準制定積累了寶貴經驗；實現首次洲際量子通信，構建了天地一體化廣域量子通信網路的雛形，並被美國物理學會評為年度國際物理學重大事件；研製出世界首台針對特定問題的計算能力超越早期經典計算機的光量子計算原型機。

《自然》雜誌評價稱，在量子通信領域，中國用不到十年的時間，由一個不起眼的國家發展成為現在的世界勁旅。

結合「墨子號」與「京滬幹線」構建的首個天地一體廣域量子通信網路雛形中科院 量子信息與量子科技創新研究院供圖

十年磨一劍

如果要用一個詞來形容中國科大和上海技物所在「墨子號」上的合作，雙方不約而同地選擇了「碰撞」。

第一次「碰撞」發生在2009年。

外太空因為幾乎真空，光信號損耗非常小。將衛星作為中繼器，可以大大擴展量子通信距離，甚至實現全球化的量子通信。為驗證這一大膽設想的可行性，中國科大和上海技物所、微小衛星創新研究院等單位合作，首先在青海湖進行百公里量子通信實驗，量子糾纏源則設置於湖中的一座島上。

島上沒水沒電，晝夜溫差大，冬天湖面結冰，只有一座寺廟和一些僧侶。為了避免日光的影響，量子實驗都在晚上進行。於是，幾個年輕人夏天上島，晚上做實驗，白天下山挑水，再上山洗衣做飯。帳篷、爐子、發電設備都要自己搭建。青海湖管理局的工作人員每10天過來送給養，此時便成了科研人員最熱鬧的時光。

為了積累數據，實驗一做就是3年。2012年8月，潘建偉等人在國際上首次實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發，這意味著在高損耗的星地鏈路中，也能夠實現單光子級別的量子通信。

經過這次磨合，第二次的「碰撞」更是火花四射，因為這一次，他們不僅要將實驗搬出實驗室，還要搬上太空。

作為世界首顆空間量子科學實驗衛星，「墨子號」沒有前人經驗可借鑒，做第一個吃螃蟹的人，難度可想而知。上海技物所研究員、量子科學實驗衛星工程常務副總師、衛星系統總指揮王建宇告訴《中國科學報》：「我們以前做各種各樣的衛星一般都有個參考，但量子衛星真的沒底，是一個從未有過的巨大挑戰。」

關於星地間量子糾纏分發的難度，王建宇曾有一個令人印象深刻的比喻：就像在太空中往地面的一個存錢罐里扔硬幣。不僅如此，天空中的「投擲者」相對地面上的「存錢罐」還在高速運動。

明知山有虎，偏向虎山行。中國科學家不僅要做世界第一顆量子衛星，還要做一顆有實實在在科學影響力的量子衛星。為了實現這一目標，兩個團隊發生了激烈的「碰撞」。為了實驗更出色，「激進」的科學家不斷提出新的想法，而「保守」的工程師則希望減少改動，提高穩定性。

「那段時間，我和王建宇也經歷了激烈的磨合。事實證明，干大事必須精誠合作。」潘建偉坦言。所幸，這是一顆深深打上中科院烙印的衛星。

「科學家只要提出想法，我們就照著設計。大家都是科學院出身，骨子裡追求卓越、渴望創新的文化是一脈相承的。」上海技物所研究員、量子科學實驗衛星系統副總師舒嶸說，雖然課題組間也有自然形成的合作，但和卓越中心、創新研究院體制下的合作相比，性質完全不同。

「碰撞」的結果是，「墨子號」各項性能都優於設計指標，原本計劃兩年完成的科學實驗任務不到一年就完成了。2017年6月，《基於衛星的糾纏分發距離超過1200公里》以封面文章形式發表在《科學》上。「墨子號」量子科學實驗衛星科研團隊也因此獲得2018年度美國科學促進會克利夫蘭獎，這是90餘年來，中國科學家在本土完成的科研成果首次獲得這一重要榮譽。

「這個時候我們的合作已經體現出了創新研究院的價值，那就是集中力量干大事。」潘建偉認為。

為了衛星上天，團隊里的年輕人有的從科學家變成「半個」工程師，有的則從純粹的工程師進入了前沿研究領域。

其中就包括科學應用系統主任設計師、創新研究院副研究員任繼剛。任繼剛記得自己讀博士時第一次聽潘建偉作報告，彷彿在聽一個科幻故事，沒想到日後竟成了故事中的一個角色。「印象最深的是2014年春節，我們做實驗做到年三十凌晨3點。」他說，直到2017年實驗基本完成後，所有人才度過了一個「史上最開心」的春節。

2016年8月16日，經過中國科大、上海技物所、微小衛星創新研究院、光電所、國家天文台、紫金山天文台、國家空間科學中心等十多個團隊歷時5年的合作，「墨子號」成功發射。所有人長舒一口氣，但這不是終點。

衛星於凌晨升空後，幾位主任設計師立刻從酒泉趕往各地面站。由於衛星在夜晚經過，且在地面站上空的過境時間僅有幾百秒，因此一入夜，河北興隆、青海德令哈、烏魯木齊南山、西藏阿里、雲南麗江5個地面站便忙碌起來。

「8月18日凌晨，我們在德令哈地面站第一次將地面的信標光覆蓋到『墨子號』，為離開地面近48小時的『墨子號』點亮了燈塔，建立了星地互聯的第一步。」量子糾纏源載荷主任設計師、中國科大教授印娟回憶說。

2017年8月，「墨子號」提前一年完成星地量子糾纏分發、星地量子密鑰分發、地星量子隱形傳態三大既定科學目標，向世界宣告我國在國際上首次實現空間尺度的量子科學實驗研究。

中科院院長、黨組書記白春禮對此評價：「墨子號」開啟了全球化量子通信、空間量子物理學和量子引力實驗檢驗的大門，為中國在國際上搶佔了量子科技創新制高點，成為國際同行的標杆，實現了向「領跑者」的轉變。

回憶起這次合作，王建宇有四點體會：「第一，原創的科學思想是靈魂；第二，決策層下定決心讓科學家去闖，才有了今天的成績；第三，團隊協同作戰效果顯著；第四，科學團隊和工程團隊必須互補。」

最優最簡互補

在人才培養上，潘建偉有一個至今為人稱道的做法，那就是將優秀的學生有針對性地送到國際頂尖團隊學習和開展合作，再將掌握的關鍵技術帶回國內。

於是，陳宇翱去德國馬普所、趙博去奧地利因斯布魯克大學研究超冷原子量子調控，張強去斯坦福大學研究參量上轉換探測器，陸朝陽去劍橋大學研究量子點光源，張軍去瑞士日內瓦研究單光子探測器……

潘建偉回憶說：「當時國內實驗室很缺人，但不把人送出去學習的話將來這把火肯定燒不旺。所以儘管國內對人才極度渴求，但還是把人送走了。」

如今，隨著這批年輕人的集體歸國，這把量子通信的火真正燒起來了，他們也個個成為獨當一面的研究室負責人。

卓越中心升級為創新研究院後，改變了過去幾個團隊各為一個研究室、相互間仍以自發合作為主的組織模式，統籌設置了量子通信、量子計算、量子精密測量、光電子與微電子器件4個研究部，每個研究部下設若干個研究室，整合相關的優勢研究力量。例如，量子計算研究部包含光量子計算、超冷原子量子模擬、離子阱量子計算、硅基量子點量子計算等多個研究室。組成每個研究室的各個團隊，圍繞研究部的主任務，在各個分系統上開展協同攻關。

如何讓這麼多人彼此不重複又能相互促進、協同創新？「我們的原則是『最優最簡互補』。」潘建偉吐露了秘訣：「創新研究院每次引進人才時一定要問三個問題：是不是全國最好的？是不是有重複？能否形成互補？」

按照「最優最簡互補」的原則，創新研究院在建設過程中重新調整了組織架構，根據我國在量子信息科技領域已有的區域集群優勢，形成了「合肥總部+北京分部、上海分部、濟南基地+相關研究單位」的研究隊伍布局，各部分朝向一個共同的主任務，既各司其職又相互配合。這種科學組織架構很大程度上避免了「內耗」和「打架」，也讓創新研究院近年來迎來一個高速發展的階段。

量子科技涉及物理學、信息學、材料學、工程技術等眾多領域，一家科研機構難以包打天下。為此，創新研究院獨具特色地聯合了清華大學、北京大學、復旦大學、浙江大學等高校的力量，形成全方位的協同合作網路，並通過國家重點研發計劃、中科院戰略性先導科技專項等，積極組織全國力量協同創新、集中攻關。

通過制度改革，創新研究院不斷加強依託單位與共建單位的協同創新合力，並建立起大型儀器設備、重大科研基礎設施等科技資源的統一管理機制，充分提高了已有資源的統籌利用效率。

「通過項目將大家組織起來，協同全國的科研力量，但又不是完成項目後一鬨而散。」潘建偉表示，從前每個團隊都需要進行全鏈條創新，現在則可以只做自己擅長的部分，推動各學科協調發展。

同地方共建也是創新研究院的一大特色。在引進人才方面，安徽省和合肥市都提供了力度較大的政策支持。不過，對於創新研究院來說，真正能留下人的還是事業。以「墨子號」團隊為例，具體負責項目的主任設計師幾乎全是「80後」。任繼剛、印娟等人都是在國內成長起來的科研骨幹。

「青海湖的項目完成後，潘老師提出讓我留下繼續做衛星，剛博士畢業就能做衛星嗎？這讓我覺得很不可思議。」任繼剛回憶。

研究超導量子計算的朱曉波則是從兄弟單位中科院物理研究所加入創新研究院的。不久前，他們剛剛成功實現了12個量子比特的多體真糾纏態「簇態」的製備，刷新了超導量子比特糾纏的世界紀錄。

「量子計算機意義重大，我們的目標是做出實際應用。」朱曉波說，超導是目前最受關注的量子計算方案之一，也是谷歌、IBM等商業公司投入最大的方案。

「我們在這一方向上雖然是追趕者，但創新研究院可以凝聚力量形成協同攻關，跟世界最前沿的研究組競爭，不管中間有多困難，都不會改變我們的信念。這也是我加入創新研究院的原因。」朱曉波說。據悉，在創新研究院，朱曉波除了自己的學術團隊，還有一支近30人的團隊為他們提供支撐服務。

「創新研究院的作用就像土壤。」潘建偉說，「在單個研究小組中，很多種子只能長成花盆中的盆景，但在創新研究院多學科交叉融合和協同創新的模式下，我們希望每顆種子都能長成參天大樹。」

目前，科技創新2030—重大項目「量子通信與量子計算機」實施方案已形成，專家組一致建議儘快啟動。作為我國量子科學領域研究的領軍機構，創新研究院將牽頭肩負起這一重大項目，著力解決量子信息與量子科技領域一系列前沿科學問題，突破一系列關鍵技術和核心器件，培育形成量子通信等戰略性新興產業。

加速加速再加速

20年前，潘建偉最常被問到的一個問題是：量子信息科學，歐洲美國都剛剛起步，我們為什麼現在要做？每次他都耐心講解量子科技革命的意義，結果卻不盡人意。「難度太大」「不靠譜」「做不成」是他最常聽到的評價。

潘建偉認為那段時間是自己研究生涯中最困難的一段時期：學科方向不被理解，申請經費四處碰壁。

2002年，潘建偉提出自由空間量子通信的構想，同樣遭到了各界質疑。一籌莫展之時，他接連從中科院獲得了「第一桶金」「第二桶金」。在一次項目申請會上，面對諸多質疑聲，當時中科院分管基礎研究和人才引進的領導發言強調：潘建偉發過很多高質量文章，得到了國際認可，科學院作為支持原始創新的機構，能不能讓他試一試？

就這樣，潘建偉拿到了中科院的經費。他很快在2004年底進行了國內第一個自由空間實驗，在合肥創造了13公里的雙向量子糾纏分發世界紀錄，而此前的國際紀錄是600米。由於整個豎直大氣層的等效厚度為10公里左右的近地面大氣，實現了13公里的量子糾纏分發就意味著光子能夠突破大氣層，有效驗證了星地量子通信的可行性。

到了2009年，當潘建偉向著實現星地量子通信的夢想努力前進時，主要的質疑聲依然是那個問題：衛星量子通信，外國都沒人做，我們是否太冒失？那時，我國以業務衛星為主，科學衛星渠道很少。關鍵時刻，又是中科院前瞻性地設立了空間科學先導專項，「墨子號」幸運地成為專項支持的首批科學實驗衛星之一。

潘建偉沒有辜負期望。「墨子號」和「京滬幹線」引發的「蝴蝶效應」是巨大的——歐美國家明顯加快量子通信領域的布局，同這兩項工程在我國率先成功實施直接相關。

「中科院能相信我的科學判斷，讓我往前走一步，是需要勇氣的。而我們能夠20年來堅持在科學上毫不動搖，也是因為有中科院體制的支持。」潘建偉強調說。

支持越大，責任就越重。「墨子號」是一顆低軌衛星，每天經過中國上空兩次。王建宇透露，在國家支持下，創新研究院計劃再設計一顆高軌衛星，以便未來可以隨時隨地做實驗。「這次的難度就不是扔硬幣了，可能比紐扣還要小，但我們已經在準備了。」

印娟則介紹，創新研究院正在著手制定相關模式標準並推廣到全球，等未來建起一張全球量子衛星通信網時，我國將發揮主導作用。

2017年11月，美國開始禁運量子密碼相關設備和器件，12月又擴展到包括整個量子信息和感測等14個領域。隨後，歐洲也陸續開始禁運相關設備。

「以前我們能在全世界購買性能好的元器件，後來他們不賣了，我們只好買材料加工。好不容易加工品質提上來了，高品質的原材料又不賣了。現在更糟糕，凡是跟量子信息加工有關的產品都不賣了。」潘建偉說。

做分子束外延的中國科大教授霍永恆就是在這樣的情況下被引進的。他坦言：「如果在10年前未必會引進我，但現在不同往日，我們只能自己做。」

近幾個月，潘建偉感到自己的思想轉變很大。「以前是集成全球的創新要素做創新，現在就必須考慮，如果別人什麼都不給，我們還能不能創新？！」

在他看來，這更說明從卓越中心轉到創新研究院的必要性。量子信息科學有明確的應用導向，創新研究院的目標亦不僅僅是發表文章，完成轉化應用才真正實現了科技創新的價值。「再不加速就真的只能停留在基礎研究了」。

目前，量子通信是創新研究院四大方向中最接近於實際應用的方向。量子保密通信「京滬幹線」全長2000餘公里，目前正在國家有關部門的支持下制定標準，為將來量子通信幹線的商業運營和規模化應用奠定基礎。在面向世界科技前沿和國家重大需求的量子精密測量、量子計算、量子感測等方面，創新研究院也將為技術發展作出重要貢獻。

「創新研究院一定要領跑，不然就變成了『跟蹤研究院』。現在國際上追趕的速度很快，很多方面我們還要向別人學習，絲毫不敢懈怠。」對於未來，潘建偉如是說。

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