主播君的话

中国科技迅猛发展，从曾经的“落后”、“跟跑”，到如今在几个领域都处在世界领跑的位置，在中国青年科技工作者协会，大批的青年科技工作者都为此努力着~

曾经，中国的“四大发明”改变了世界。在沉寂千年之后，如今，一批批青年科技工作者，正在引领中国的“科技复兴”。

从落后“跟跑”到“并跑”“领跑”，一场由中国主导的“新科技革命”，正在悄然进行。

一场全新的通信革命

两颗处于“纠缠态”的骰子，无论相隔多远，如果其中一颗投掷结果为“1”，那么另一颗的投掷结果也必定为“1”。这并不是魔法，而是“量子纠缠”的神奇现象。

量子力学自问世以来，便掀起了一次世界范围的“量子革命”。核能、光通信、互联网、计算机等等如今不可或缺的应用，都是基于量子力学的衍生品。

但对于“量子纠缠”，人们所知甚少。

什么是“量子纠缠”、它是否真的存在、究竟如何实现等等问题，曾经让物理学家们争论不休。这个被爱因斯坦形容为“鬼魅般超距作用”的现象，成为人们探索微观世界的一道绕不开的难题。

而这道“世纪难题”，被我国青年科学家潘建伟，解开了。

2016年，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”在中国酒泉卫星发射中心升空，成功实现了千公里级星地双向量子纠缠分发，在千公里量级的距离下，验证了量子纠缠的存在。

2017年，国际上首条千公里级光纤量子通信骨干网“京沪干线”开通，通过“墨子号”与“京沪干线”的星地链路，基于量子纠缠原理的量子通信网络初具雏形。

同年，领衔两项项目研究的潘建伟被《自然》杂志评选为“2017年度改变世界的十大科学人物”。

什么是量子通信？中国科学技术大学常务副校长、中科院院士潘建伟解释，“通过对量子叠加、量子纠缠等量子力学基本想象的实验检验，人们将对量子系统进行精确操控的能力，与信息技术相结合，从而诞生了量子信息技术。而量子通信是量子信息技术中最先走向实用化的技术。”

据潘建伟介绍，量子通信是一种原理上不可窃听、不可破译的无条件安全的通信手段，任何形式的窃听，都会改变量子态，从而必定被通信方察觉并规避。

“信息安全对国家的意义不言而喻。而且同个人生活也是密切相关，比如银行账户的信息不会被泄露。未来的无人驾驶中，远程控制车辆的系统如果被黑客入侵，车辆行驶的安全就得不到保障等等。”潘建伟说。

1996年，在中科大近代物理系硕士毕业的潘建伟，来到奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位。在那里，他第一次叩开了量子信息世界的大门。

“我了解到，这门科学可以实现利用任何经典手段都无法完成的信息功能，可以在提高运算速度、确保信息安全、提高测量精度等方面突破经典信息的极限，可以带来极大的应用价值并具有重大的科学意义，势必会推动整个信息产业的技术革命。”潘建伟说。

为了让中国跟上世界科技发展的步伐，留学时期的潘建伟，每年都利用假期回到母校中科大讲学，带动了一批研究人员进入量子信息领域，并在毕业后，回国组建了量子物理与量子信息实验室。

2003年，潘建伟带领团队开始进行长距离量子纠缠实验。从十公里、百公里，再到千公里，潘建伟团队在一次次突破世界“首次”记录的同时，也让中国成为了量子信息技术的领路者。

随着“墨子号”量子科学实验卫星和“京沪干线”的“天地连线”，天地一体化广域量子通信技术实现了从实验室走向现实应用的突破。

2018年，“墨子号”量子卫星首次实现了北京和维也纳之间相距约7600公里的洲际量子保密通信。这一成果也被美国物理学会评选为2018年度国际物理学十大进展之一。

潘建伟告诉中国青年报·中国青年网记者，“墨子号”实验结果表明，“星地量子密钥”的传输效率，比传统通信传输高出20个数量级，也就是提升万亿亿倍。

同时，通过“天地链路”，地面光源每秒产生8000个“量子隐形传态事例”，向卫星发射纠缠光子，均以大于99.7%的置信度超越经典极限。假设在同样长度的光纤中重复这一工作，需要3800亿年，才能观测到1个事例。

“目前，我们已经充分验证了基于卫星实现全球化量子通信的可行性，构建了首个天地一体化广域量子通信网络的雏形，将全面服务于国家信息安全。”潘建伟说，“正是受到我国的引领，美国、德国、英国等传统的科技强国都加快了量子信息领域的战略布局，国家级科技计划先后启动，反过来对我国的领先优势发起强烈冲击。同时，在量子计算方面，我国也具备了和发达国家进行竞争的实力。”

潘建伟表示，下一步，他的研究团队将努力扩大量子通信技术的覆盖范围，降低成本，争取早日惠及大众。在他看来，全球化量子通信有望在未来10-15年得以实现。

一双中国的“智能千里眼”

人类能够看见周围的物体，得益于光的存在。

随着人们对光学以及光学工程的不断探索研究和应用拓展，如遥感、监控、智慧城市、无人驾驶、LED显示屏、4K高清电影、全息影像、VR显示等等光学技术相关的发展成果，如今已经融入到了生活的各个角落。

当然，对光学相关的技术应用，还远远不止于此。

西北工业大学教授李学龙，从事光学影像的研究已经20余年，“光学影像，主要包括拍摄和数据分析处理两部分内容，以及这两部分之间的互相影响和促进。”李学龙介绍。

有别于普通摄像的是，李学龙所拍的影像不仅有人眼可见的，还有人眼看不见的。

李学龙举了一个例子，“海湾战争时有很多假坦克，但并没有浪费导弹。因为不同物质的光谱不同，在普通光学相机观测下，假坦克和真的看起来很像，但在光谱成像下，钢铁和木头、纸壳等都分开了。”

“眼见未必为实，眼不见的未必就不存在。未来多谱段多维度的观测和探测手段，将成为打开人们观察世界新通道的金钥匙。”

为了能够在光学探索这条“寻宝”之路上留下中国身影，2009年，获得英国伦敦大学终身教职已经三年、并成为领域顶级期刊《IEEE图像处理汇刊》有史以来首位中国大陆编委的李学龙，自荐回国。

“不论树的影子有多长，它永远和根连在一起，而树的根永远扎在土里。人生的意义在于最大限度地发挥自身价值，科技工作者更是如此。”李学龙说。

在李学龙看来，他只不过是中国光学研究中的一个“工兵”——学工科的小兵。“几个通宵不睡觉、连续几天待在实验室不回家都是正常的，领域内知识更新非常快，若想轻松享受一个短短的假期，就有可能掉队。”李学龙说。

在持续高强度的工作下，今年刚刚四十出头的李学龙，已有半头白发，他打趣道：“这样看上去成熟，也更像个科学工作者。”

在李学龙的带领下，他的团队先后提出了基于监督张量分析的光学影像处理方法，和计算协同的光学影像处理前置方法，构建了光学成像与计算一体化系统，解决了光学影像数据从向量化到张量化处理、光学影像高分辨率重建中的失衡问题及在超低维空间类别不可分的难题。

团队还设计出世界上第一台多分辨率相机，能在同一时刻对同一场景获取不同分辨率的影像，对研究不同分辨率的影像之间本质的关系和联系提供了基础平台。

随着科研团队一步步走向世界领域前沿，李学龙有了更大的“野心”。

为了突破自然光的束缚，将光的作用发挥到极致，李学龙又把目光放到了光无法触及的角落——海底世界。

“从经济角度来说，海洋有丰富的甚至未知的矿产资源、生物资源、运输资源、考古资源、旅游资源等，可以带来巨大的GDP；从国防角度来说，‘水下国门洞开’是任何一个有较长海岸线的科技强国都不希望的，海防安全就是最大的国家安全。”李学龙说。

李学龙认为，未来是属于海洋的时代，谁先揭开海洋的神秘面纱，谁就将在未来的竞争中赢得主动。“对海洋的探索、利用和保护，甚至比航空航天还要更受关注，无论如何，我们不能错过这样的良机。”

意识到这一点后，李学龙立即带领团队，推进“水下光学”和“海洋光学”的研究和工程应用。

高压、漆黑、冰冷，是人类对深海世界的仅有认知。由于海水对光的强吸收和散射作用，几十米深的海底便如同严重雾霾天。如何提升水下成像的质量和作用距离是一项世界级难题。

团队成员在进行水下偏振成像、水下激光扫描成像、水下距离选通成像等技术研究后，原创性地提出水下软距离选通成像技术，打破了现有水下成像的极限作用距离。

同时，团队提出了海洋环境适配的光学影像处理方法，建立了一整套具有自主知识产权的深海光学影响获取与增强的装备技术架构，解决了深海下压力大、光散射强等环境因素造成的成像难、成像差问题，并成功研制出了我国首台全海深高清相机——“海瞳”。

“海瞳”相机参加了2017年中国科学院深渊科考队TS03航次，顺利完成科考任务。在马里亚纳海沟，先后3次下潜至七千米深度、2次下潜至万米深度，最大潜深达10909米；实际采集到长达12小时的万米高清视频数据，并首次记录下位于8152米深处的狮子鱼，这是国际上观测到鱼类生存的最大深度。

目前，李学龙团队的多谱段多维度等技术已经在我国深远海、地球观测等方面有着普遍应用，李学龙的下一步研究重点，是如何扩大光学理论和光学工程技术的应用领域，让它更贴近人们的日常生活。

“随着技术不断提升，多谱段多维度成像和影像处理的装备将为精准农业、环境污染监测、草原鼠害防治以及更广泛的海洋观测利用等方面提供解决方案，成为一个‘智能千里眼’。”李学龙说。

一支轻装前行的侦察兵

把大象装进粉笔盒，这听起来是一件不可能的事情。但对于戴庆来说，却是家常便饭。

国家纳米科学中心纳米光子学研究部负责人戴庆告诉中国青年报·中国青年网记者，他所从事的纳米光子学研究，是在纳米尺度上的光操控技术。

“把百纳米波长的光，压缩到在几个纳米的尺度上做调控。也就是说，不仅需要把大象装进粉笔盒，还要驱使大象在里面自由活动，难度可想而知。”

随着信息技术的不断发展，光电子器件的需求越来越大，纳米光子学这门新兴学科的分量随之也越来越重。

戴庆介绍到，“像CPU从以前几十纳米制成发展到现在7纳米、5纳米的制成，要想实现光电转化，光也得匹配到几纳米尺度上去。比如军事应用层面中的雷达、隐身设备，还有日常生活中的光电芯片、通讯电缆、基站端口、生物检测、能源领域里的增透减反等等都会用到纳米光子学的概念。”

2012年，英国剑桥大学博士毕业后的戴庆，回国加入了国家纳米科学中心。彼时国内相关领域的研究，还处于一个“一穷二白”的状况。

“我在博士期间一直研究的是碳纳米管的电子发射性能，这个方向国内和国外基本上是同时起步在做的，但是因为碳纳米管在国内的产业应用没有走通，就很少有人坚持继续做。”戴庆说，“但是我还是觉得这种电子发射的原理，跟传统有质的不同，它有独特性能，只是还没有找到杀手锏级的应用方式。所以回国以后还是一直坚持这方面的研究。”

在戴庆团队“苦坐5年冷板凳”后，终于取得了突破性的进展。

2017年，戴庆团队首次实现了基于碳纳米管量子隧穿效应的可见光频场致电子发射。

戴庆打了个比方，“以机关枪为例，如果用电子发射代替传统机械发射，可以实现每秒钟打出一万发子弹。而用光频发射，则可以达到每秒钟一亿发子弹，而且子弹的质量和效果不受任何影响。”

“碳纳米管的光频发射电子技术，可以为以后制造高性能的太赫兹光源设备，提供关键部件。”戴庆说，“现在我国还生产不出小体积、便携式的太赫兹光源设备，国际上也对中国禁运。太赫兹光源，在雷达、激光武器、隐身设备以及研究生命体蛋白的功能表达和活动等方面都有着关键的应用。”

除此之外，长期致力于材料领域研究的戴庆，在石墨烯的等离激元研究之始，也面临着同样的难题。

“等离激元是一种光电磁现象，它可以把三维的光束缚在材料表面上传播。”戴庆介绍，“我回来研究等离激元的时候，国内实际上真正开展实验研究的人很少，针对石墨烯等离激元的研究更少。”

戴庆告诉中国青年报·中国青年网记者，“那时候大家对这项研究心里没底，经常测不到信号，实验上难度太大，设备也不健全。所以我们团队实际上是一直咬着牙在做。”

2015年，戴庆团队发表了国内第一篇关于等离激元的实验性文章。在此后四年时间里，被《Nature Communications》引用过百次。“在我们这小众领域，大家的认可度还是比较高的。”

戴庆说，关于石墨烯的等离激元研究，有助于掌握纳米材料的红外光谱信号。“光谱打到分子上，依靠对应光谱的缺位来判断分子结构，是现在我们了解分子结构的主要方式。但纳米材料相较于光，尺寸太小，对光来说就是透明的。而石墨烯的等离激元技术，通过对光进行压缩增强，从根本上解决了这个难题，对我们未来进一步探索微观世界有很大的意义。”

在戴庆看来，虽然目前我国的纳米光子学研究，与国际上其他国家处于“并跑”局面，但依旧面临着很大的考验。光电领域中，特别是高端芯片上的一些卡脖子技术，影响着我国的信息集成和处理能力，关乎国家的战略安全。

“作为科研人员，我们还需要继续把基础研究做好，把科研成果进行转化，形成一些杀手锏级的应用。”戴庆说，“实际上我们就是一支轻装前行的侦察兵，看看这条路走不走的通，有多大的潜力，探索新路径，打回第一手报告，这就是我们的本分和职责所在。”

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