潘建偉（資料圖）
近日，東陽籍科學家潘建偉和他的團隊，一舉解決了兩個世界級的大難題。
攻克的第一個世界難題，是在超冷分子和超冷化學量子模擬研究領域取得重要進展，首次在實驗上直接觀測到超低溫度下弱束縛分子與自由原子間發生的量子態可分辨化學反應，並實現了其動力學的探測。7月4日，這一成果發表在國際權威學術期刊《自然·物理學》上。
此外，潘建偉團隊從三個方向改進技術，在青海湖實現了白天遠距離（53公里）自由空間裡的量子密鑰分發，令下一代量子通信衛星有望克服“怕光”的弱點，實現白天上崗。相關論文發表在7月24日的英國學術期刊《自然·光子學》上。
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故事一：直接觀測到超低溫度下分子與原子的“戀愛”與“分手”
這是科學家第一次在超冷化學反應中觀測到量子態可分辨的化學反應，從而將化學反應動力學的實驗研究推進到量子水平。審稿人表示：“探測超冷化學反應的產物是目前該領域的重大研究目標，本工作向這個目標邁出第一步”，“該工作是超冷化學領域的一個重要里程碑，將引起化學和物理研究者的廣泛興趣”。無疑，潘建偉團隊的這個研究成果是里程碑式的。
潘建偉教授和他的同事趙博、陳宇翱等，在超冷分子和超冷化學量子模擬研究領域取得的這一重要進展，首次成功觀測到了超低溫下弱束縛的分子和原子發生的可控化學反應。他們巧妙地利用弱束縛分子的束縛能可以調節的特性，精確控制反應中釋放的能量，實現了對反應產物的囚禁。在此基礎上利用射頻場操作技術，成功探測了反應的分子產物和原子產物，並進一步研究了其反應動力學，實驗結果證實了弱束縛分子之間化學反應通道的選擇性。該實驗的重要意義在於，這是第一次在超冷化學反應中觀測到量子態可分辨的化學反應，從而將化學反應動力學的實驗研究推進到量子水平。
有人在微信公眾號上講述了這個離奇的科學故事，把潘建偉他們看到的現象比喻為在絕對零度附近觀察原子“戀愛”和分子“分手”，很吸引人。
在絕對零度附近，原子都被凍成了單個量子態，沒有多少套路可以走，只能按照物理學家限定的方式，以最簡單的形式碰撞，從一種狀態轉化到另外一種狀態。所以，物理學家對整個過程觀測、分析得一清二楚。
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故事二：讓量子通信衛星不再“怕光”，白天也能“上崗”
“墨子號”升空已經數月，它完成了世界首次星地量子通信實驗，但要真正實現實用化的覆蓋全球的量子通信網絡，僅靠單顆“墨子號”還不夠，科學家們還需要解決一些重要的問題，比如解決“墨子號”怕光的問題。
“墨子號”十分“怕光”，目前的量子通信實驗都是在晴朗的夜晚中完成的。原來，在設計“墨子號”的時候，科學家就知道“墨子號”無法白天工作。現在，“墨子號”大約有68%的時間暴露在陽光下，也就是說，只有不到一半的時間能夠工作。而軌道越高的衛星如在地球同步軌道的通信衛星，能“躲”在地球陰影裡的時間不到1%。因此，攻克白天遠距離自由空間裡的量子密鑰分發，給有效擴展量子衛星的通信時間，提高實用性，進一步為搭建覆蓋全球的量子通信星座打下了堅實的基礎。“墨子號”為什麼怕光？歸根結底，是太陽光帶來的背景噪聲太強了（白天陽光照射噪聲是夜晚的5個數量級以上），如何儘量減少這個噪聲，提高信噪比，才是克服這一障礙的關鍵。
潘建偉及其同事彭承志、張強、廖勝凱等組成的研究小組，通過三大技術解決了這一關鍵技術障礙。
潘建偉團隊使用了哪三項技術？就是巧妙選擇工作波長+上轉換單光子探測技術+自由空間光束單模光纖耦合技術。他們在青海湖做了實驗，在1756秒的有效時間內得到了157179比特，結果表明，在全鏈路衰減48dB（大於星地、星間鏈路衰減，其中包括14dB的單模光纖耦合損耗和34dB的信道損耗）情況下，誤碼率最低達到1.65%，安全密鑰成碼率達到~150 bps，驗證了太陽光背景下開展星地、星間量子密鑰分發的可行性，為下一步構建量子星座打下了基礎。
事實上，據潘建偉團隊介紹，這次的實驗結果遠沒有達到技術極限，各項技術的使用都還有改善的空間。
（據《金華日報》，原標題《潘建偉團隊又解決兩個世界難題》，原作者：王健。編輯：沈超）
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