传承科技之光 成就青春梦想

    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。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，标志着基于量子纠缠原理的量子信息技术从理论走向了应用。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”。

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

    一场全新的通信革命

    “量子信息技术是通过对量子叠加、量子纠缠等量子力学基本想象的实验检验，进而发展对量子系统进行精确操控，并系统性地应用于量子信息领域的一项技术。”第五届中国青年科学技术者协会会长、中国科学技术大学常务副校长、中科院院士潘建伟告诉中国青年报·中国青年网记者，“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，任何形式的干扰，都会改变量子态，破坏原有的信息。

    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修习量子力学。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，可以带来极大应用价值并具有重大科学意义，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”纪录的同时，也让中国成为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理论走向应用的突破。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，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，全球量子通信时代即将到来。

    一双中国的“智能千里眼”

    第五届中国青年科技工作者协会副会长、西北工业大学教授李学龙，从事光学影像研究已经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。

    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3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。

    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40岁出头的李学龙，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。

    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的纪录。

    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7000米深度、两次下潜至万米深度，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、地球观测等方面有了普遍应用，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。

    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。

    第五届中国青年科技工作者协会理事、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。”

    2012年，英国剑桥大学博士毕业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，“但我还是觉得这种电子发射的原理跟传统比有质的不同，它有独特性能，只是还没有找到杀手锏级的应用方式，所以回国后我还是一直坚持这方面的研究。”

    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，可以实现每秒打出一万发子弹。而用光频发射，则可以达到每秒一亿发子弹，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。

    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4年时间里，被《Nature Communications》引用过百次。

    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，看看这条路走不走得通，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。”