屢創世界紀錄的奧秘

　　原標題：屢創世界紀錄的奧秘

　　拍攝一張照片，點擊發送按鈕，短短幾秒鍾，一張圖片在量子光的運載下穿過長達100公裏的光纖，完成信息的安全傳輸。100公裏，國際上最長的量子直接通信距離紀錄就誕生在北京量子信息科學研究院。

　　5年來，量子院作為本市首批支持建設的新型研發機構之一，已孕育出一係列世界級科研成果。打破科研單位之間、學科之間、科研與產業之間的“三堵牆”，新型研發機構以開放創新的大膽探索，集聚全國乃至全球頂尖人才的聰明智慧，在重大基礎前沿科學研究、關鍵核心技術攻關方麵接連取得突破性進展。

北京量子信息科學研究院，科研人員正在量子計算裝置下全力攻關。（和冠欣 攝）

　　整合科研資源攻堅克難

　　告別竊聽風雲，量子通信因極高的安全性而成為科學研究的前沿領域之一。2022年諾貝爾物理學獎頒發給了量子信息領域的三位科學家，進一步引發全球對量子科技的高度關注。

　　北京在量子研究領域優勢明顯。早在2000年，清華大學龍桂魯教授就帶領團隊提出了量子直接通信理論。“利用量子態的特性，关键词2可以在信息傳遞時邊檢查、邊通信。暗中竊聽會引發量子態的狀態改變，對方既不能隱藏竊聽行為，也無法竊取任何信息。”龍桂魯解釋，量子直接通信將傳統保密通信的密鑰分發和密文傳輸雙信道結構，改變為單信道結構，不僅能夠感知竊聽，還能夠阻止竊聽。

　　不過，當2016年龍桂魯帶領團隊啟動量子直接通信原理樣機的研製時，工程化實踐的短板製約凸顯出來。“高校科研小團隊的力量遠遠不夠。你很難要求物理係的學生通曉電子、半導體、軟件編碼等技術，所以初始產品裏藏著一些小問題，影響了優化升級的腳步。”

　　這也折射出當時北京量子研究的不足：中科院、北大、清華等高校院所爭相發力，但科研力量分散，資源優勢並未有效轉化為競爭優勢。2017年12月24日，由北京市政府發起，聯合多家頂尖學術單位共同建設的北京量子信息科學研究院揭牌成立。作為北京首批新型研發機構之一，量子院邁出了先行先試的步伐，大力引進全球量子科技領域人才的同時，還組建起一支高水平工程師組成的技術保障團隊，打造產學研全鏈條暢通的科研平台。

　　2019年，龍桂魯以“雙聘製”形式加入量子院，擔任該院副院長。在這裏，財政科研經費實行“負麵清單”，設備采購能“一鍵下單”，研究團隊充分感受到新機製下科研進展的“日新月異”。隨著軟硬件工程師陸續加入團隊，新一代樣機在設計上更加成熟。

　　整合資源協同創新，龍桂魯團隊在量子院接連取得突破性成果：2020年成功推出世界首台實用化量子直接通信樣機，率先實現10公裏光纖鏈路每秒4千比特通信速率的量子保密通話；2020年，通過編碼優化，直接通信距離提升至18公裏；2022年，龍桂魯團隊和清華大學教授陸建華團隊合作，設計出相位量子態與時間戳量子態混合編碼的新係統，將量子直接通信距離一舉刷新至100公裏，創下世界紀錄。

　　這意味著，依靠現有的成熟技術手段，城市之間已能實現點對點的量子直接通信。

　　基礎研究成果加速轉化

　　基礎研究科研周期長、投入大、轉化難，科研人員往往要坐“冷板凳”。但探索未知世界的好奇心，吸引科研人員不斷深入前沿領域。

　　“一個科學發現到底‘有沒有用’，关键词2無法預計，但如果不去做，就隻能永遠跟在別人的後麵。”中科院物理所懷柔研究部主任呂力表示，沒有基礎研究的進步，就沒有人類文明的進步。

　　量子理論誕生在百餘年前，第一次量子革命催生了現代信息技術。而利用量子的特性推動量子通信等領域走向產業化，便是正在進行的第二次量子革命的目標。“量子技術是從基礎研究到應用轉化最快的領域之一，量子院正是用靈活的體製機製打通了瓶頸，推動基礎研究的成果向產品化應用轉化。”龍桂魯說。

　　從實驗室到產品的路注定不會一帆風順。在測試新一代量子直接通信樣機時，信號怎麽也無法接通。為了找到故障點，團隊頗費了一番工夫，花費數月排查了數百個零部件，迷霧終於被撥開——兩條光纖在對接時出現了誤差，雖然誤差不過毫厘，卻導致光路中斷。

　　工程師仔細調整後再測試，通了！

　　現在，第二代量子直接通信樣機的通信速率達到了每秒千比特的量級，能夠穩定實現圖文傳輸，並且已從“一對一”通信發展到了多人“群聊”，初步構建起了量子直接通信網絡。

　　“在量子院做科研，很舒心。”工程師宋嘯天2022年加入了龍桂魯團隊，最近，他正向新一代量子直接通信係統的芯片發起挑戰。4月，他還在為芯片過高的誤碼率苦惱，通過反複摸索、嚐試，終於有了新突破——通過對關鍵部件重新設計，芯片誤碼率降至3%，整體結構也更加緊湊小巧。

　　近期，龍桂魯要把量子直接通信技術帶出實驗室，利用已鋪設的光纖網絡進行測試。“关键词2要讓技術在真實環境中接受考驗，再做進一步優化。”龍桂魯預計，3至5年內，量子直接通信網絡將真正走入人們的生活，接打“量子電話”、發送“量子信息”將可觸可及。

　　“五新”機製激發創新活力

　　與龍桂魯相似，陸續加入量子院的頂尖人才紛紛感受到北京推進前沿創新的加速度。

　　2019年，長期從事超導量子計算和量子模擬研究的於海峰入職量子院。他快速組建起具有物理、電子、計算機等不同專業背景的40餘人科研團隊，圍繞建造實用化量子計算機的總目標發起攻關。

　　2019年，32歲的常凱在馬克斯普朗克微結構物理研究所完成博士後研究，雖然沒有知名頭銜，量子院依然看到了他的科研潛質。在加入量子院並組建低維量子材料團隊後，短短2年時間，他的研究成果就登上了《科學》雜誌。“量子院對於青年科學家的科研經費支持力度，讓我可以完全按照自己的設想去建設世界一流的實驗室，不必因為經費問題而做出種種妥協。”常凱說。

　　以研發高速光纖量子密鑰係統而聞名的袁之良在2021年歸國，擔任量子院首席科學家。量子院對其科研支持工作的開展，以天為單位計算。從簽訂聘用合同到在崗投入科研，短短4個月的時間裏，他所需要的科研設備論證、300平方米實驗室改造、科研團隊組建工作全部完成。

　　新的運行體製、新的財政支持政策、新的績效評價機製、新的知識產權激勵、新的固定資產管理方式，量子院不斷釋放創新活力，新的世界紀錄在這裏不斷誕生。

　　2021年中關村論壇上，於海峰團隊的重磅研究成果發布——長壽命超導量子比特芯片突破500微秒大關，標誌著我國在超導量子芯片研究領域走到了世界前列。

　　2023年3月，袁之良團隊的實驗室發布最新成果，在世界上首創開放式架構雙場量子密鑰分發係統，完成615公裏光纖量子密鑰分發實驗。這種開放式架構設計簡潔，能極大節約量子網絡係統的建設成本，助力未來實現在城市間撥打“量子語音電話”。

　　“不完全像大學、不完全像科研院所、不完全像企業，不完全像事業單位”，不少科研人員將新型研發機構親切地稱為“四不像”單位。正是這種“四不像”的探索，打破了基礎研究與產業的隔膜，成功激發和凝聚科學家精神，讓北京原始創新和前沿探索呈現出“千裏馬”競相奔騰的蓬勃生機。

　　創新密碼

　　將資源優勢化為爭先的勇氣

　　北京的高校和科研機構數量均位居全國第一，創新主體、科技人才等科技創新資源匯聚。為鼓勵科研人員挺進基礎研究領域，甚至向科研“無人區”發起衝擊，本市出台了一係列“鬆綁”政策，極大地調動了科研人員積極性。在“科研經費28條”“科創30條”等政策措施的保障下，本市頂尖科研成果加快從實驗室走向市場。

　　2018年1月，《北京市支持建設世界一流新型研發機構實施辦法（試行）》正式發布。隨即，北京量子信息科學研究院、北京腦科學與類腦研究中心、北京雁棲湖應用數學研究院等一批新型研發機構如雨後春筍般成長起來，聚焦重大基礎前沿科學研究和關鍵核心技術攻關突破。此外，圍繞類腦智能、6G、元宇宙、未來網絡、基因與幹細胞等前沿科技領域，本市也開展了前瞻性布局，支持開展麵向未來的基礎研究、應用技術研究。

　　“北京力量，是勇於爭先、深化改革、大膽創新、表率全國的力量。”清華大學公共管理學院教授、北京市組織學習與城市治理創新研究中心主任藍誌勇說，近年來，北京在科技攻堅、前沿探索和體製機製改革三方麵同時發力，彰顯了首善之區的科技活力、爭先的勇氣和敢啃硬骨頭、引領科技創新的氣度卓識和行動能力。（劉蘇雅）