2004年，潘建偉研究小組在國際上首次實現五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸，《自然》雜誌發表了這一成果，並稱讚說：“這種新穎的量子態隱形傳輸是量子糾錯和分布式量子信息處理所需要的關鍵技術。”這一成果同時入選歐洲物理學會和美國物理學會評選出的年度國際物理學重大進展，這對中國科學家來說是第一次。
“這表明國內研究小組在量子糾纏方面的工作已經成功躍居國際領先水平。”潘建偉說，“我可以離開維也納了，那裡的知識我們國內小組已經全部掌握。”
此後，潘建偉以瑪麗.居裡講席教授的身份到德國海德堡大學從事量子存儲的合作研究。“要實現高效、長距離的量子通信，必須發展量子存儲和量子中繼技術，而冷原子系綜是實現量子存儲的理想系統。”潘建偉說，“海德堡大學的冷原子研究處於國際領先地位，我們必須把別人的看家本領學到手。”
幾年下來，潘建偉團隊在冷原子量子存儲方面形成了豐富的人才和技術積累，取得了一系列國際領先的研究成果。2008年，《自然》雜誌再次發表潘建偉團隊的重要研究成果，他們利用量子存儲技術在國際上首次實現了具有存儲和讀出功能的糾纏交換，完美地實現了長距離量子通信中亟須的“量子中繼器”。《自然》雜誌稱讚該工作“掃除了量子通信中的一大絆腳石”。這項成果入選歐洲物理學會年度物理學重大進展。他們還首次實現了光子比特與原子比特間的量子隱形傳態，首次將單次激發量子存儲的壽命延長至毫秒量級，將以前的結果提高了兩個數量級。
工欲善其事，必先利其器。與國際先進小組保持密切的合作，不斷地取長補短，是潘建偉團隊得以快速發展壯大的秘訣。
最大的夢想
2008年10月，潘建偉和他在德國的團隊整體回歸中科大。“搬家的清單足足列了120頁，大到激光器，小到12毫米的鏡片，全部搬回來了。”
這個時候，潘建偉團隊已經成為國際上首次把安全量子通信距離突破到超過百公里量級的3個團隊之一，國際上報道安全的實用化量子通信網絡實驗研究的2個團隊之一，也是國內唯一領銜開展星地量子通信實驗研究的科研團隊。《新科學家》這樣評價潘建偉團隊：“(他們)使得中科大，因而也使整個中國，牢牢地在量子計算的世界地圖上占據了一席之地。”
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