南京大學馬小松：潛心走入量子世界

日前，由我國自主製造的全球首顆「量子衛星」成功發射；今年年底，全球首條量子通信保密專線——「京滬幹線」將如期建成，這無疑將把量子通信領域的研究再度推向新的高潮，也標誌著我國的量子通信的科研水平處於世界前列。

量子是現代物理的重要概念，描寫微觀世界的物理理論就是量子力學。量子力學的基礎研究到量子通信，意味著基礎科學的研究成果正在逐漸轉化為有應用前景的前沿技術。這一成功，離不開來自以中國科學院和中國科技大學為代表的眾多科研團隊的努力，也離不開那些為數眾多、在該領域默默耕耘的年輕科研人員。這其中，來自南京大學物理學院的年輕教授馬小松就是這一群體的典型代表。

維也納歸來的年輕人

物理學是研究物質運動最一般規律和物質基本結構的學科，也是一切自然科學的帶頭學科。選擇物理學作為研究領域的人，一般都對這個世界有著足夠的好奇心。馬小松也不例外。

「從初中起，我就對物理特別感興趣，喜歡動手做一些小實驗，驗證課本中的理論知識。加上高中的班主任無錫一中的倪亞青老師也是物理老師，所以後來我就選擇了南京大學的物理系」，馬小松笑言，自己可謂對物理學「從一而終」。大學畢業後，他前往荷蘭萊頓大學開始碩士的學習和研究。

那麼，馬小松為什麼當初會選擇量子信息作為此後的研究重點呢？說起來，這還和科幻電影有關，他當時被電影《星球大戰》中的瞬間移動等科幻情節深深吸引。1998年，馬小松注意到一篇關於潘建偉院士及同事實現量子隱形傳態實驗的新聞報道，「當時我覺得很神奇，原來科幻電影中的情節可以在實驗室里實現。在此基礎上，我慢慢加深對量子信息的了解和學習，最終選擇從事這個領域的研究」。

2005年，馬小松前往奧地利維也納大學，師從Anton. Zeilinger教授開始博士的學習和研究，主要致力於量子光學和量子信息處理。畢業後在奧地利科學院開始博士後研究，延續拓寬之前的工作。

2012年，馬小松入選「歐盟瑪麗居里學者」人才支持計劃，前往美國耶魯大學進行集成量子光學晶元方向的研究。2014年，他入選中組部青年千人計劃，隨後回到南京大學任教。

為什麼放棄國外的舒適生活和優厚待遇回國？馬小松坦言，南京大學是自己的母校。出國的12年間，自己一直與南大保持聯繫，「特別是母校的祝世寧老師，對我的學習、工作一直非常關心，為我的研究方向也給予了很多指導」。同時，量子光學和量子信息是自己的主要研究方向，也是南京大學一直想要發展的學科。國家和南京大學也為海外學子歸國提供了強大的支持，因此「回南大，義不容辭」。

量子信息領域的後起之秀

量子是物理學中最小的不可分割的基本單位，許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學，都是以量子力學為基礎。馬小松在量子力學的基礎理論研究日益深入後，其工作重心開始逐漸轉向量子通信，「科學不能總是高高在上，量子力學的成果也應該應用於大眾生活」。

憑藉著持續的努力，馬小松近年來在量子信息領域取得了不少新突破。

比如，在實驗基礎量子物理學領域，馬小松團隊實現了名為「延遲選擇糾纏交換」的「思想實驗」，這項實驗由A·Peres於2000年提出。他們首次在實驗中證明，有關兩個粒子是否處於糾纏或分離的量子狀態，或許可以由這些粒子被測量後和不再存在時來決定，從而實現對過去事件的模擬和操縱。在非局域性的延遲選擇量子橡皮擦的實驗中，馬小松和他的同事們首次在實驗中實現了量子橡皮擦的非局域特性。這個實驗對於量子力學的基礎有著非常重要的意義。鑒於馬小松在此方向的工作，今年3月，他受邀於權威期刊《現代物理評論》，撰寫了延遲選擇量子實驗方面的綜述長文，彰顯了中國科學家在該領域的影響力

在量子通信的應用領域，2012年，馬小松和同事們憑藉143公里的成績，打破了量子隱形態傳輸的最遠距離世界紀錄，也為建設一個基於衛星的全球性量子通信網打下了堅實的基礎。在理想中的量子通信網路中，量子機械效應能夠大幅提高信息交換的安全性，進行確定計算的效率也要遠遠超過傳統技術，量子隱形態傳輸也將成為量子計算機之間信息傳送的一個關鍵協議。這項成果刊登在《自然》雜誌上，也被美國《時代》雜誌評為2012世界百大科學進展之一。

在實驗量子模擬方面，馬小松和他的同事們首次在實驗中用多光子糾纏態實現了模擬自旋四聚體。他們的實驗利用了線性光學的精確量子調控和多光子干涉引起的光子－光子相互作用展示了量子糾纏的單調性，對於理解並且模擬量子多體問題提供了很好的平台。

量子失諧是一種比量子糾纏更廣泛、更易於訪問的關聯性質。馬小松團隊首次在理論和實驗中展現了在遠程量子態製備中，量子失諧比量子糾纏更加重要，具有高量子失諧的量子態能夠製備保真度更高的遠程量子態。

量子通訊逐漸步入實用

儘管包括馬小松自己在內的眾多中國科學家近年在量子通訊方面取得系列成果，但馬小松仍然保持著清醒的頭腦，「國內的量子通訊研究水平處於世界領先，但在量子計算方面和世界一流研究者還有距離，需要繼續加強」。

在馬小松看來，量子通訊和國計民生都有著密切的關係。在過去的電子通信時代，信息安全十分脆弱，隨著計算能力的提升和數學的進步，基於計算複雜度的經典加密體系終將崩塌。量子通信以其絕對安全性等特點，得到全球科技界、產業界普遍重視，許多國家爭相將量子通信研究作為戰略項目。可以說，量子信息研究對於我國信息安全建設不可或缺。對於普通人的生活也有著非常重要的影響，「比如能夠幫助我們實現個人的財務，身體健康信息的絕對保密」。

目前，由潘建偉院士等人牽頭的京滬量子保密幹線正在建設。對此，馬小松認為，這是一件利國利民的好事。需要指出的是，量子中繼可以解決光子信號在光纖內指數衰減的重大難題，是未來實現超遠距離量子通信的重要途徑之一。為滿足遠距離量子中繼的實際需求，量子存儲器需要對單量子態進行長時間存儲且具備高讀出效率。下一步應該將量子中繼整合到這個網路中。「儘管還有很多挑戰（特別是量子中繼），但目前量子通訊逐漸進入實用階段。樂觀估計，10年或許更短的時間內，這種新的通信方式能夠得到大規模推廣」。

「科研是一個漫長的過程，大部分時間是挫折和失敗，有時候甚至是90%的時間是不成功的。但剩下的10%是成功的碩果，而這10%的喜悅是其他所有東西都無法取代的」，馬小松坦言，這也是他能夠在量子力學和量子通訊領域堅守多年的原因。他的夢想，是希望依靠自己的努力，不斷在量子力學基礎研究和量子信息的應用領域取得突破，「希望有一天，憑著我們這些科學家的努力，能夠讓全世界的人都能夠共享量子互聯網帶來的便利」。

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