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北京有个量子院!三五年后,你或能接打“量子电话”

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拍摄一张照片,点击发送按钮,短短几秒钟,一张图片在量子光的运载下穿过长达100公里的光纤,完成信息的安全传输。100公里,国际上最长的量子直接通信距离就诞生在北京量子信息科学研究院。

5年来,量子院作为北京首批支持建设的新型研发机构之一,已孕育出一系列世界级科研成果。打破科研单位之间、学科之间、科研与产业之间的“三堵墙”,新型研发机构以开放创新的大胆探索,集聚全国乃至全球顶尖人才的聪明智慧,在重大基础前沿科学研究、关键核心技术攻关方面接连取得突破性进展。

整合科研资源攻坚克难

告别窃听风云,量子通信因极高的安全性而成为科学研究的前沿领域之一。2022年诺贝尔物理学奖颁发给了量子信息领域的三位科学家,进一步引发全球对量子科技的高度关注。

北京在量子研究领域优势明显。早在2000年,清华大学龙桂鲁教授就带领团队提出了量子直接通信理论。“利用量子态的特性,我们可以在信息传递时边检查、边通信。暗中窃听会引发量子态的状态改变,对方既不能隐藏窃听行为,也无法窃取任何信息。”龙桂鲁解释,量子直接通信将传统保密通信的密钥分发和密文传输双信道结构,改变为单信道结构,不仅能够感知窃听,还能够阻止窃听。

在北京量子信息科学研究院的实验室里,龙桂鲁教授与研究人员正在进行量子直接通信样机研发。 和冠欣摄

不过,当2016年龙桂鲁带领团队启动量子直接通信原理样机的研制时,工程化实践的短板制约凸显出来。“高校科研小团队的力量远远不够。你很难要求物理系的学生通晓电子、半导体、软件编码等技术,所以初始产品里藏着一些小问题,影响了优化升级的脚步。”

这也折射出当时北京量子研究的不足:中科院、北大、清华等高校院所争相发力,但科研力量分散,资源优势并未有效转化为竞争优势。2017年12月24日,由北京市政府发起,联合多家顶尖学术单位共同建设的北京量子信息科学研究院揭牌成立。作为北京首批新型研发机构之一,量子院迈出了先行先试的步伐,大力引进全球量子科技领域人才的同时,还组建起一支高水平工程师组成的技术保障团队,打造产学研全链条畅通的科研平台。

2019年,龙桂鲁以“双聘制”形式加入量子院,担任该院副院长。在这里,财政科研经费实行“负面清单”,设备采购能“一键下单”,研究团队充分感受到新机制下科研进展的“日新月异”。随着软硬件工程师陆续加入团队,新一代样机在设计上更加成熟。

整合资源协同创新,龙桂鲁团队在量子院接连取得突破性成果:2020年成功推出世界首台实用化量子直接通信样机,率先实现10公里光纤链路每秒4千比特通信速率的量子保密通话;同年,通过编码优化,直接通信距离提升至18公里;2022年,龙桂鲁团队和清华大学教授陆建华团队合作,设计出相位量子态与时间戳量子态混合编码的新系统,将量子直接通信距离一举刷新至100公里,创下世界纪录。

这意味着,依靠现有的成熟技术手段,城市之间已能实现点对点的量子直接通信。

基础研究成果加速转化

基础研究科研周期长、投入大、转化难,科研人员往往要坐“冷板凳”。但探索未知世界的好奇心,吸引科研人员不断深入前沿领域。

“一个科学发现到底‘有没有用’,我们无法预计,但如果不去做,就只能永远跟在别人的后面。”中科院物理所怀柔研究部主任吕力表示,没有基础研究的进步,就没有人类文明的进步。

2月26日,北京量子信息科学研究院,科研人员正在量子计算装置下全力攻关。

量子理论诞生在百余年前,第一次量子革命催生了现代信息技术。而利用量子的特性推动量子通信等领域走向产业化,便是正在进行的第二次量子革命的目标。“量子技术是从基础研究到应用转化最快的领域之一,量子院正是用灵活的体制机制打通了瓶颈,推动基础研究的成果向产品化应用转化。”龙桂鲁说。

从实验室到产品的路注定不会一帆风顺。在测试新一代量子直接通信样机时,信号怎么也无法接通。为了找到故障点,团队颇费了一番工夫,花费数月排查了数百个零部件,迷雾终于被拨开——两条光纤在对接时出现了误差,虽然误差不过毫厘,却导致光路中断。

工程师仔细调整后再测试,通了!

现在,第二代量子直接通信样机的通信速率达到了每秒千比特的量级,能够稳定实现图文传输,并且已从“一对一”通信发展到了多人“群聊”,初步构建起了量子直接通信网络。

“在量子院做科研,很舒心。”工程师宋啸天去年加入了龙桂鲁团队,最近,他正向新一代量子直接通信系统的芯片发起挑战。上个月,他还在为芯片过高的误码率苦恼,通过反复摸索、尝试,终于有了新突破——通过对关键部件重新设计,芯片误码率降至3%,整体结构也更加紧凑小巧。

近期,龙桂鲁要把量子直接通信技术带出实验室,利用已铺设的光纤网络进行测试。“我们要让技术在真实环境中接受考验,再做进一步优化。”龙桂鲁预计,3至5年内,量子直接通信网络可能在特殊场合应用,实现接打“量子电话”、发送“量子信息”。

北京量子信息科学研究院超导量子计算实验室内,研究员正在进行科研工作。 和冠欣摄

“五新”机制激发创新活力

与龙桂鲁相似,陆续加入量子院的顶尖人才纷纷感受到北京推进前沿创新的加速度。

2019年,长期从事超导量子计算和量子模拟研究的于海峰入职量子院。他快速组建起具有物理、电子、计算机等不同专业背景的40余人科研团队,围绕建造实用化量子计算机的总目标发起攻关。

同一年,32岁的常凯在马克斯普朗克微结构物理研究所完成博士后研究,虽然没有知名头衔,量子院依然看到了他的科研潜质。在加入量子院并组建低维量子材料团队后,短短2年时间,他的研究成果就登上了《科学》杂志。“量子院对于青年科学家的科研经费支持力度,让我可以完全按照自己的设想去建设世界一流的实验室,不必因为经费问题而做出种种妥协。”常凯说。

以研发高速光纤量子密钥系统而闻名的袁之良在2021年归国,担任量子院首席科学家。量子院对其科研支持工作的开展,以天为单位计算。从签订聘用合同到在岗投入科研,短短4个月的时间里,他所需要的科研设备论证、300平方米实验室改造、科研团队组建工作全部完成。

量子院光量子通信与器件团队研发的集成极窄带干涉电路的单光子探测器模块

新的运行体制、新的财政支持政策、新的绩效评价机制、新的知识产权激励、新的固定资产管理方式,量子院不断释放创新活力,新的世界纪录也在这里不断诞生。

2021年中关村论坛上,于海峰团队的重磅研究成果发布——长寿命超导量子比特芯片突破500微秒大关,标志着我国在超导量子芯片研究领域走到了世界前列。

今年3月,袁之良团队的实验室发布最新成果,在世界上首创开放式架构双场量子密钥分发系统,完成615公里光纤量子密钥分发实验。这种开放式架构设计简洁,能极大节约量子网络系统的建设成本,助力未来实现在城市间拨打“量子语音电话”。

“不完全像大学、不完全像科研院所、不完全像企业,不完全像事业单位”,不少科研人员将新型研发机构亲切地称为“四不像”单位。正是这种“四不像”的探索,打破了基础研究与产业的隔膜,成功激发和凝聚科学家精神,让北京原始创新和前沿探索呈现出“千里马”竞相奔腾的蓬勃生机。

【创新密码】

将资源优势化为争先的勇气

北京的高校和科研机构数量均位居全国第一,创新主体、科技人才等科技创新资源汇聚。为鼓励科研人员挺进基础研究领域,甚至向科研“无人区”发起冲击,本市出台了一系列“松绑”政策,极大地调动了科研人员积极性。在“科研经费28条”“科创30条”等政策措施的保障下,本市顶尖科研成果加快从实验室走向市场。

2018年1月,《北京市支持建设世界一流新型研发机构实施办法(试行)》正式发布。随即,北京量子信息科学研究院、北京脑科学与类脑研究中心、北京雁栖湖应用数学研究院等一批新型研发机构如雨后春笋般成长起来,聚焦重大基础前沿科学研究和关键核心技术攻关突破。此外,围绕类脑智能、6G、元宇宙、未来网络、基因与干细胞等前沿科技领域,北京也开展了前瞻性布局,支持开展面向未来的基础研究、应用技术研究。

资料图片

“北京力量,是勇于争先、深化改革、大胆创新、表率全国的力量。”清华大学公共管理学院教授、北京市组织学习与城市治理创新研究中心主任蓝志勇说,近年来,北京在科技攻坚、前沿探索和体制机制改革三方面同时发力,彰显了首善之区的科技活力、争先的勇气和敢啃硬骨头、引领科技创新的气度卓识和行动能力。

【亲历者说】

北京脑科学与类脑研究中心联合主任罗敏敏:

打造“十年磨一剑”的创新环境

我个人是比较幸运的,辗转过多家科研机构,所处的环境一直是创新的科研体制。在来到脑中心之前,我在北京生命科学研究所做了十七八年研究。北生所是北京市最早建设的新型研发机构,他们探索出的体制机制、人员管理、财务制度等模式,为中心的建设提供了很好的经验。

在我们脑中心,科研人员有足够的空间去做尝试和探索。一位新的科研人员加入后,前5至6年会得到稳定的经费支持,能放开手脚去做自己想做的研究。一个安心的科研环境很重要,如果整体的环境都追求短平快,那不管是实验本身的压力,还是研究人员之间的竞争压力都会过大。如果真的碰到特别有价值的课题,这个时间还可以延长,“十年磨一剑”也不是不可能。

作为管理人员,我其实更多是为科研人员提供帮助,进行协调,原则就是“不捣乱”。做基础研究就是要有耐心,只要找到人,有经费支持,成果就会慢慢显现。

当然,考核机制还是要有。那怎样评价一个科研人员的水平,怎样判断一项科研成果是否具有价值?关于科研评估,我有幸见证了我们国家的变化过程。早期我们是由各科研单位内部制定规则,甚至是由领导来主导评价,但这样容易陷入主观。于是论文就成了重要的评价标准,后续大家都有了论文,标准又不断细化,看论文篇数、影响因子、引用数量……最终其实我们发现,还是很难有一个完全量化的指标。

判断一项科研工作的价值,还是要站在历史的高度来判断。因此我们中心在设立考核机制的时候,确定了国际同行评议这样一种形式,建立起国际评估委员会,汇聚了脑科学领域的诺贝尔奖获得者以及世界各国脑科学顶尖专家。虽然没有了“硬标准”,但要得到国际同行的认可,对研究人员的要求更高。

中心现在已经建起30多个实验室,也陆续有一些好的成果逐渐成型,这个速度是非常快的,说明我们的路子是对的。中心落地在北京的“生命谷”,我们从建立之初就明确,一定要将科研成果做好转化,这也将是接下来的发展重点。脑科学很重要,世界主要的科学中心都有很多脑科学的研究机构,我们期待能为助力北京国际科技创新中心建设、支撑国家科技高水平自立自强做出更大的贡献。

数说

北京新型研发机构引领前沿创新

除署名外,图片均来自北京量子信息科学院、北京脑科学与类脑研究中心官网

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