北京时间10月4日晚间，2022年诺贝尔物理学奖揭晓，瑞典皇家科学院将其授予三位量子信息领域先驱。一时间，“量子科技”再次成为人们关注的热词。

在“奋进新时代”主题成就展中，上海展区也因“量子”而变得更加热闹，量子纠缠发射机和超导单光子探测系统这两件实物展品，吸引了众多参观者驻足聆听观看。

“之前只知道中国在量子应用方面走在世界前列，今天之一次知道上海的科技工作者在这方面做出了突出贡献。”一位参观者表示。

此次诺奖获奖者之一奥地利科学家安东塞林格（Anton Zeilinger）是中国科学院院士潘建伟的导师，诺奖的官方介绍也大量引用了潘建伟团队的成果和贡献。潘建伟在接受采访时表示，我国在量子通信的研究和应用方面处于国际领先地位，在量子计算方面与发达国家处于同一水平线，在量子精密测量方面发展迅速。而前两个领域的优异表现，就离不开上海展区的这两件重磅展品。

让“墨子号”实现有效载荷

说到我国的量子通信，就不得不提到“墨子号”卫星，这是世界首颗量子科学实验卫星，今年也作为案例登上了诺奖舞台。

2016年8月16日，“墨子号”发射升空。参与该项目的中国科学院院士王建宇介绍，“墨子号”要完成三个实验任务：之一个实验叫量子密钥分发；第二个实验是验证在距离地面上千公里的地方，量子纠缠是否依然存在；第三个实验叫量子隐形传态。

而要完成这三个实验，就得在卫星中装入实验装置，即有效载荷。王建宇所在的中国科学院上海技术物理研究所牵头研制了其中2个有效载荷——量子密钥通信机和量子纠缠发射机。

上海展区中的量子纠缠发射机模型

量子密钥通信机与量子纠缠发射机可以实现量子光信号在天地之间的可靠传输与调控，构建天地一体化超低损耗链路，是卫星的核心关键设备。这两个载荷装置解决了星地光路高精度对准、复杂光机系统偏振调控、近衍射极 *** 子信号发射与测量等多项关键技术难题。

通过“墨子号”实验，我国成功构建了国际首次一星两站以及单站高精度量子链路，并在此基础上实现了国际首次星地量子密钥分发、千公里级量子纠缠分发等，产生了重要国际影响。其中，卫星量子纠缠分发实验成果获得了2018年美国科学促进会纽科姆克利夫兰奖。

随着“墨子号”完成既定实验、进 *** 合全球科学家共同实验阶段，我国在量子通信的研究和应用方面也步入世界领先。王建宇表示，达到这样的成就，中国的年轻人和本土培养的科学家们功不可没。在上海技术物理研究所团队中，具体项目的负责人几乎全部是80后，并且除了首席科学家曾留学欧洲，其他科学家均为本土培养。

“经历了这些年的工作，我体会到，原创的科学思想是灵魂，同时科学团队和工程团队必须互补。”王建宇说，“科学家有很多好的想法需要通过工程师来实现。我有时也很自豪地说，作为工程团队，我们实现了科学家的梦想。”

让中国量子计算实现突破

通信之外，目前量子信息应用的另一重要领域就是量子计算。上海展区展示的超导单光子探测系统由中国科学院上海微系统所研发，已成功应用于包括“九章”光量子计算机在内的光量子计算、量子密钥分发、激光雷达等领域，有力推动了我国量子信息等领域的科技进步。

中国为什么需要研究超导单光子探测系统？中科院上海微系统所超导电子实验室负责人尤立星解释：“爱因斯坦提出的光电效应告诉我们，光的能量是量子化的，单光子是光能量的最小单位，因此光探测的极限就是实现单光子探测。”单光子探测技术是量子信息和弱光探测领域的核心技术。超导纳米线单光子探测（SSPD）技术作为综合性能更好的单光子探测技术，具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、计数率高、响应频谱宽等优势。自2001年问世以来，SSPD技术已经成为超导电子学和量子信息领域的一个热点研究方向。

因为在量子信息领域的战略应用意义，高性能SSPD在发展初期一直属于美国对外封锁技术，严重制约了我国量子科技的发展。在没有自主掌握SSPD核心技术之前，我国进行量子通信试验所使用的单光子探测器效率只有20%，且噪声极大，与国际更高水平相差甚远。2007年，尤立星来到中科院上海微系统所开展超导单光子探测研究工作，并担任国家重点研发计划“高性能单光子探测技术”项目（2017-2022）负责人。“解决核心元器件SSPD自主研发是我回国工作的主要目标。”尤立星说。

组建团队、筹措经费、申请项目、科研攻关、获取用户的认可……几乎没有任何基础，尤立星和同事们一切只能从零开始。SSPD的研发是一个非常复杂的系统工程，从薄膜生长、微纳加工、测试再到系统集成，每样都需要做到极致。“从零开始探索，到真正能够给用户提供使用产品，我们差不多花了十年时间。前五年打通整个产品研发流程，后五年获取用户信任度。”尤立星介绍，“中科大潘建伟团队构建的量子计算原型机‘九章’，其中100多个探测器就是用我们的，真正解决了核心元器件的自主化问题。”

上海展区展示的超导单光子探测系统模型

说到为“九章”提供100多个高性能探测器，尤立星称就像“打了一场战役”。在“九章”研发关键阶段，2019年谷歌宣称通过量子计算机“悬铃木”率先实现“量子称霸”。为了在更短时间内超越谷歌，中国需要在5个月内研发出高性能探测器装配“九章”。当时正值新冠肺炎疫情初期，上海微系统所研发团队需要完成从研发到工程化开发的所有工作——上海做器件，浙江做测试组装，最后到安徽做九章的实验。最终，通过长三角各方的同心协力，上海微系统所打赢了这场战役。

当下，上海微系统所的超导单光子探测系统不仅在科学方面不断突破，还实现了国产高端科研仪器SSPD的商业化。已为国内外用户提供100余套SSPD系统，国内市场占有率逾7成，成为我国高端科研仪器国产化的典范。

“上海，海纳百川，国际化、效率高、包容性强，正和我们研发的高效率SSPD器件与系统一样，需要各个行业、各个领域优秀的科研人员，大家一起高效地协同工作，最终达到了国际更好水平，这也代表了上海的效率和能力水平。”尤立星说。

栏目主编：樊江洪 文字编辑：樊江洪 题图来源：张煜摄

来源：作者：张煜 余晨扬