徐飞虎:量子信息技术实用化 |“科技创新35人”中国榜单专栏

科学
徐飞虎:量子信息技术实用化 |“科技创新35人”中国榜单专栏
麻省理工科技评论 2020-03-11

2020-03-11

他致力于将量子信息技术实用化,不断拓展量子通信和成像的边界。
量子 35岁以下科技创新35人
他致力于将量子信息技术实用化,不断拓展量子通信和成像的边界。

2019 年 12 月 14 日,《麻省理工科技评论》公布了 2019 年“35 岁以下科技创新 35 人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单。在本届榜单上,虽然缺失了“创业家”的身影,但是我们看到了许多在具有产业化潜能的领域坚持科研使命的获奖人,也看到更多散布在海外顶尖学术机构的科学家们,用自身不改初心的坚持努力,取得了世界级标竿成就的科研成果,其中有超过半数以上的获奖者,都取得了世界级的突破性研究成果与发现。我们将陆续发出对 35 位获奖者的独家专访,介绍他们的科技创新成果与经验,以及他们对科技趋势的理解与判断。

关于 Innovators Under 35 China 榜单

自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年都会推出“35 岁以下科技创新 35 人”榜单,旨在于全球范围内评选出被认为最有才华、最具创新精神,以及最有可能改变世界的 35 位年轻技术创新者或企业家,共分为发明家、创业家、远见者、人文关怀者及先锋者五类。2017 年,该榜单正式推出中国区评选,遴选中国籍的青年科技创新者。新一届 2020 年度榜单正在征集提名与报名,截止时间 2020 年 6 月 30 日。详情请见文末。

徐飞虎:量子信息技术实用化 |“科技创新35人”中国榜单专栏

徐飞虎

先锋者

徐飞虎凭借其在量子信息技术领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主。

获奖时年龄:33 岁

获奖时职位:中国科学技术大学教授

获奖理由:他致力于将量子信息技术实用化,不断拓展量子通信和成像的边界。

作为一个出生在东北小镇的孩子,徐飞虎对自己拥有一个重视教育的家庭环境心怀感激。在母亲的言传身教下,他从贪玩的小孩渐渐开始对学习产生兴趣,将“知识改变命运”作为自己求学路上的座右铭。

2005 年,他考上了中国科学技术大学,接触到了远比想象中更广阔的知识海洋,深奥的物理学、信息学和精妙的计算机都让他沉醉其中。机缘巧合之下,他参加了量子通信领军人潘建伟教授在中科大的演讲,之后便对量子信息技术产生了浓厚的好奇心。

“我当时对量子技术很感兴趣,是因为它有很多未知的问题可以去探索,有很多可以创新的地方,”徐飞虎表示。对于这个新兴领域,他开始频繁地参加学术演讲和报告会,阅读相关文献,并且尝试参与一些简单的科研项目。

受限于本科学生接触科研的机会不多,他萌生了出国深造的想法,希望继续深入研究量子信息技术并将其实用化,此时,同样从事量子信息技术研究、加拿大多伦多大学的 Hoi-Kwong Lo 教授向他抛出了橄榄枝。

如今看来,这一步成就了徐飞虎科研生涯的重要节点。在攻读硕士的第一年里,他实现了全球首个对商用量子密钥分发系统(QKD)的攻击和破解。

在此之前,即便追溯到 1984 年——实用型量子密钥分配系统最早被提出的时间点,也只有理论研究证明 QKD 系统的安全性,没有一个真正的实验可以用来验证和测试。然而,在现实条件下,QKD 系统的理论与实践之间可能存在差异,导致系统在实际操作中可能存在安全性问题。

只有搞清楚哪里存在问题,才能进一步寻找解决办法。对商用 QKD 系统的破解,证明了量子通信实际安全性的重要性,被视为是量子密码领域的重要科学突破,为量子信息技术领域开拓了新的研究方向。迄今为止,这篇 2010 年发表的论文已被引用超过 300 次,引领了一系列量子通信安全性的创新性研究。

他的导师 Lo 教授评价他是“量子通信领域一颗冉冉升起的新星”。

博士期间,徐飞虎继续致力于量子信息技术实用化。他在 2014 年完成了首个考虑源编码缺陷的量子密钥分发实验,获得了每年一届的国际量子密码大会 QCrypt 唯一“最佳论文奖”。为了更好地抵御量子黑客,他基于 Lo 教授提出的——测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)——设计出了新的协议,进一步完善了理论基础并且首次完成了实验验证。这一系列成果进一步引发了有关量子保密通信协议和框架的标准化制定,他目前也参与其中,在量子密码领域的意义非凡。

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图 | 徐飞虎在颁奖典礼上做演讲(来源:DeepTech)

随后徐飞虎前往麻省理工学院攻读博士后,加入 Jeffrey H. Shapiro 和 Franco N. C. Wong 领导的光学和量子通信小组,他的科研重点不再局限于量子通信,而是拓展到全新的单光子成像领域。他提出了高效的少光子计算成像算法,并首次实现每个像素只探测一个光子的超低光、高灵敏三维成像。

“他是罕见的能在实验和理论方面都表现出色的研究人员之一,”麻省理工学院 Jeffrey H. Shapiro 教授给予了徐飞虎高度评价。

在海外深造的 8 年里,徐飞虎心中一直惦记着启蒙他走进量子世界的中科大,希望有朝一日可以学成归国,为母校和祖国的科研事业贡献力量。

因此,他在 2017 年毕业后,入选了中组部“青年千人计划”,加入了潘建伟教授的量子团队,回到了10年前梦开始的地方。

近年来,他的主要科研目标围绕长距离量子通信和单光子成像展开。他带领团队首次实验实现了高速芯片化测量设备无关量子密钥分发系统和全光量子中继器,为量子通信的实用化发展奠定基础。

同时,他带领团队在 2019 年打破了单光子三维成像的最远距离纪录,能够以每像素 1 光子的灵敏度对 45 公里远的物体成像,是之前记录的 4.5 倍。徐飞虎表示,“这个技术可能是未来非常重要的发展方向,拥有巨大的应用潜力,比如捕捉经典技术无法探测到的信号,增加传统激光雷达的探测距离,还可以放在飞机、卫星或者无人车上发挥应用价值。”

最近,潘教授、Lo 教授和徐飞虎等人被国际物理学届权威的综述性评论杂志《现代物理评论》邀请撰写综述,回顾实际量子密码学的最新进展,徐飞虎为第一作者,这也是对他在量子通信领域做出重要贡献的高度认可。

在他看来,量子通信虽然在基础设施建设和政策制定方面还有一段路要走,但从技术角度来看,它已经具备了未来 5 年内规模化应用的潜力,绝大部分核心问题已经得到了有效解决,剩下的诸如造价、小型化和远距离等挑战也都有新的进展。

接下来,他将跟团队继续拓展现有的研究成果,探索新的实用化量子信息技术方向,比如将单光子成像距离增加到 100 公里以上,实现非视域单光子成像,建设芯片化测量设备无关量子通信网络,以及制定量子通信安全性的框架和协议等等。

徐飞虎还希望通过回到母校把经验和知识传递给中科大的学生,吸引他们走上科研事业。

“这样的新兴领域也涉及到国与国之间的竞争。中国总体来说处于量子信息研究的第一梯队,在技术积累、科研人才、集中力量办大事等方面具有优势,同时,中国也越来越重视原创性的科学研究,这个领域对人才的需求量依然很大,尤其稀缺精通物理、信息、光学和计算机等学科的交叉人才,希望自己在培养相关人才方面也可以尽一份力,”徐飞虎强调。

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