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量子信息方兴未艾,中国发出自己的声音

2021-01-06
来源:本来科技

20世纪60年代,郭光灿在中科大修读无线电专业的时候,量子力学是基础课。当时全系参加量子力学这门课考试的有200多人,许多人考不及格。

郭光灿考了5分(满分)。

但是他还是不懂。“那个量子世界太神秘了,很陌生,但又很诱惑我。”从那时起,郭光灿就盘算着要研究量子科学。

“我这个人就是有这样的兴趣:我不了解的,就想弄明白。”

书生意气,挥斥方遒。

“没人懂量子光学

22岁那年,郭光灿赶上了“文-革”。那是他刚毕业后留校任教的第二个年头,一晃就是整整8年的青春。

30岁的他强烈地感受到:我们在科研上本来就落后,不能再跟在人家屁股后面做研究。

当时国内对激光的理论研究,大概分为全经典、半经典和全量子理论三种。当时看来,经典理论已经成熟,半经典也趋于完善,足以解释几乎所有的激光现象,都认为没必要再去搞量子。

所以当郭光灿决定要去研究“量子光学”的时候,听到的几乎都是反对和质疑声。

他也不知道,接下来的研究会是怎样的结果,前途如何,会给他带来什么。

也没想太多。“完全是一种好奇,我大概是国内第一个认为,这可能很有趣——我有对奥妙的追求。”

从头学起。他去旁听理论专业研究生的课程,听来听去,发现还是弄不清楚玄妙的“量子”。

1981年,通过公开考试选拔,郭光灿被公派到加拿大访问学习。到了多伦多大学他才发现,原来国际学术界开展量子光学研究已有20多年。

“应该让更多国人了解这个领域在国际上的情况。”郭光灿想。

1983年,第五届国际量子光学会议在美国罗彻斯特大学召开。参加那次会议的中国人只有8名。七八个中国年轻人,血气方刚。当晚他们畅谈直至凌晨两点多。

聊什么呢?聊中国科研落后,甚至没人懂量子光学!他们觉得应该把祖国在量子光学领域的科研搞起来。

他们相约:谁先回国,谁就来组织国内的队伍。

1983年6月,在罗彻斯特大学参加国际量子光学会议的中国人合影(前排左一为郭光灿、左三为吴令安、后排左三为彭堃墀,照片由吴令安提供)

郭光灿先回国。第二年,郭光灿在安徽琅琊山醉翁亭,召集了全国量子光学会议,当时仅有50多人参加——大家是来瞧新鲜的。

郭光灿不馁:总算有人知道量子光学了。

“罗彻斯特聚会”的其他人也陆续回国。彭堃墀夫妇回国后在山西大学建立了国内第一个量子光学实验平台,从事光场压缩态研究,后来建立了国内第一个量子光学重点实验室。

值得一提的是,彭堃墀同郭光灿在科研上紧密合作,一个从事实验,一个从事理论,他们两人共同推动国内量子光学事业的发展,行内人戏称,“彭老师出钱,郭老师出力”。

另一位回国学者是中科院物理所研究员吴令安——她是第一个在实验上研制成功光场压缩态的学者。获博士学位后回国后,吴令安继续从事压缩态和量子密码的实验研究。

这都是后话。

震惊国际量子光学界

毕竟国外20年前就开始做了。跟着做想赶超?太难。

90年代初,郭光灿接触到一个新词:量子信息。他想,这可能是个突破口。

可他连“经典信息”都不清楚。怎么办?啃!

他请来中科大信息学院的教授,从“0101”开始跟学生们一起学起了编码。“啃”完整本书,他们找到一个题目:量子编码。

“量子性很容易受干扰而被破坏,叫做消相干;后来有人提出用编码的办法,保护信息不受干扰。但是量子的编码,很难:开始是11个编1个,后来9个,7个。有人证明至少5个编1个。”

编码好像已经被前人做“到头”了,学生们有点士气不振。

“不会,这个领域刚刚开始,现在遍地是黄金,好好找,肯定能找到。”郭光灿坚信。

后来证明他是对的。当时所做的编码,其量子比特是独立的消相干,“我们来一个集体消相干会怎样?”

还真算出了名堂。“集体消相干”更省事:他们把不会消相干的特殊量子态称为“无消相干子空间”,只在需要的时候再把会消相干的量子编码到这个态上,来避免出错。在国际上,人们称之为“量子避错编码”。

“量子避错编码”成为三种不同编码原理之一。

1997年,郭光灿把这一成果发表在《物理评论快报》(PRL),震惊了国际量子光学界:中国居然在量子光学上有这样的成果。

当时,马里兰大学一位中国学者在开会时遇到国际同行,总会被问:你认不认得GC Guo?

这位学者说:“这真让人骄傲。”

“中国人是能够超过他们的”

郭光灿的研究组,他或他的学生每周都要做报告,介绍最近关注的动态,丰富大家的思路。一次,郭光灿介绍了量子克隆。

一个量子信息不能克隆成两个一模一样的量子信息,叫做量子不可克隆。

有人就说,克隆不成功也可以,一个克隆成两个,跟原来的相似程度,叫保真。保真度小于1,就不一样;保真度等于1,就完全一样。

“我们就提出一个新的克隆原理。克隆机成功克隆一个信息,留下来;不成功的丢掉,成功的最大的效率是多少?”

他们算出来这个极限,并命名为“段-郭界限”。这个界限不可逾越,否则违背量子力学,也称为“段-郭界限不可逾越”。

这是他们发表在PRL的第二篇高水平文章。此时,郭光灿在国际上该领域已经小有名气。

“量子概率克隆”的一位审稿人惊讶于郭光灿组的成果,感慨:我们怎么就没想到?

对此,郭光灿淡然:“我们中国人是能够超过他们的。”

还有一则故事。

2000年,郭光灿研究组凭借“利用光腔制备两原子纠缠的方案”研究再次引起世界侧目。后来,法国科学家Serge Haroche用实验证明了这一理论。

他在实验成功之后给郭光灿发了一封Email:祝贺你,我们在实验上把你的方案做成了。

十年之后,Serge Haroche获得了2012年诺贝尔物理学奖。

中国的声音

量子信息方兴未艾,对国家来说,仅靠一个研究组是不行的。

中国的量子科学落后于国际前沿20多年,如何尽快步入世界前列、实现赶超,一直萦绕在郭光灿脑海中。

其时(20世纪90年代)对“量子信息”争论还很多。“包括后来在量子信息领域做出贡献的人在当时都不理解,觉得‘不靠谱’。那时基金委主任后来告诉我,当时很多人认为不行,就你一个人坚持。”郭光灿回忆说。

“我想了各种办法,去吸引国内更多年轻人从事这个领域,让领导和学术界能够更了解这个领域。”著述《量子光学》教程,在《物理》杂志写科普论文,参加会议……郭光灿奔走呼告。

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郭光灿著述的《量子光学》教材

1998年,郭光灿组织量子信息香山科学会议。他致信钱学森,提出我国应该以“两弹一星”精神推动量子信息的发展,抢占先机。

“这个领域太新太小,当时我还挺天真,就想找全国最牛的,邀请钱老做香山会议的主席。”郭光灿回忆说。

是年,钱老已离不开轮椅。但他很快回了信,“你说的都很重要,我很支持你。”事后,郭光灿听说钱老动员国防科技大学去调研量子计算机。

郭光灿后来找到王大珩(后者在香山科学会议第98次学术讨论中担任执行主席)。王大珩专于经典光学,但他触类旁通,马上意识到了量子信息研究的意义,欣然同意。

他说:中国人必须在这个领域要有自己的声音。

这话落在郭光灿心窝里,眼眶一热。

彼时,恰逢香山会议五周年。在五周年大会上,会议主持人张焘邀请了18人做报告,前17人是教育部副部长、科学院副院长,是科技部官员、是院士,第18个是当时名不见经传的郭光灿。

他局促。张焘说,没关系,你这个领域有意思。

报告效果非常好——与会的大家从没有听过量子信息,听完郭光灿报告,大家很吃惊:还有这么个领域?

时任中国科学院副院长的白春礼问旁边的人:这人是谁?

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截图自:香山科学会议年报(1998)当时白春礼主管中国科学院“知识创新工程”,他找到郭光灿和他坐一起吃饭,边聊:你这个就是科学院搞“创新工程”要支持的内容。

量子信息实验室

关于支持,还有一个郭光灿津津乐道故事。

正当郭光灿为筹措经费一筹莫展的时候,他的好朋友、中国科学院院士叶朝辉在一次聊天中无意中透露他一条“小道消息”——

1997年,美国华裔物理学家朱棣文(Steven Chu)获得诺贝尔奖,时任中科院院长路甬祥作为嘉宾参加颁奖典礼。朱棣文在发言中讲“冷原子”时提到量子计算机。路甬祥听后记在了心里。

路甬祥回国以后就问,国内有谁在搞量子计算机?

有人告诉了他“郭光灿”的名字。

知晓此事后,郭光灿立即意识到这是一个好机会。他立即写信给路甬祥,说明研究量子计算机的重要性,提到了他在国际上的两个有一定影响工作,最后“希望科学院给我一些支持”。

那是1998年,他的两个基金都到期结题,按照当时的规则,要停一年才能申请新的基金。“巧妇难为无米之炊”,郭光灿那一年“断了炊”,“一分钱都没了”。

路甬祥把这封信转到时任中科院高技术发展局局长桂文庄手里,批示桂“了解和处理”。

桂文庄当晚就到了中科大,住在中科大的专家楼给郭光灿打电话:“我是桂文庄,科学院过来的。你能不能来一下?”

听了郭光灿的介绍,有着马里兰大学理学博士学位的桂文庄马上意识到这是一个极具生命力的新兴领域。事后他跟郭光灿推心置腹:我现在最大的权力,只能给你5万元的资助。

郭光灿兴高采烈:5万也好啊,这可是雪中送炭,起码能解燃眉之急。

但他得寸进尺:“可不可以给我们立个项目?”

没想到桂文庄考虑得更周全:“弄个项目做完就完了”,他建议郭光灿建一个实验室,“能够得到长期的支持”。

在桂文庄的支持下,郭光灿在中科大筹建了量子信息实验室。

1999年,桂文庄向路甬祥举荐,破格让郭光灿的校级实验室参加中科院信息领域的院重点实验室的评估考核——好的评估结果意味着更多的支持。

结果,量子信息实验室评得了第一名。

自此之后,这个实验室成了中科院的重点实验室,每年可以获得350万元的科研经费。

“以前都搞理论,从那以后,我开始‘做实验’。”2002年,郭光灿课题组在中科大东西校区之间往返6.4公里光纤上,实现国内首次光纤量子密钥分配。

2003年,郭光灿课题组凭借在量子信息研究领域扎实的积累和丰硕的成果,获得国家自然科学二等奖,这是量子信息领域第一个国家奖。

“从此我们走上正轨了。”他说。

燃星星之火,成燎原之势

其实自1998年开始,郭光灿就一直在申请973项目。他想:973项目瞄准的是“国家重大需求的基础研究”,而将来量子信息、量子密码都是国家需要的,应该得到资助。

然而第一年、第二年把材料送上去,杳无音讯。

后来才知道,他的申请根本就没有被讨论,因为当时专家组的部分专家认为,经典信息尚未研究清楚,搞什么量子信息?

直到2001年,当时国际上量子信息已经比较火了,国内也逐渐意识到其重要地位。郭光灿在第四次申请之后终于拿到了中国量子信息领域的第一个973项目。

在历年申请973项目中,郭光灿都是“一个人在战斗”,找个讨论的人都没有。他深知,这个领域太需要开拓。

拿下项目之后的郭光灿开始琢磨,该资助谁?

“其实一个国家在这个领域整体水平提高了,个人才能更高,没有这个背景,孤军奋战不会有大发展,这是相辅相成的。”

郭光灿说,“我就是要把国内整个领域带起来。”

他把国内“想要做的、有可能做的”主要队伍都拢了起来。1个973项目,8个课题,十几个单位,50多位研究人员,包含中科大、清华、北大、中科院物理所,正筹建的、原没有的,他全都拉进队伍。

5年后项目结题时,成绩斐然。

这成绩,不仅是取得一批研究成果,更在国内建立了若干科研阵地,尤其是培养了一支具有开拓创新能力的科研队伍。

郭光灿在实验室后来,该973项目中的4名课题组长成为院士:郭光灿、彭堃墀、孙昌璞、潘建伟;项目骨干杜江峰后来也评上了院士;其后被评为“杰青”的、成为973项目首席的也有十几个。

“这支队伍将在以后发挥非常重要的作用。”郭光灿很满足:“如果当时就我一个队伍,别人都不发展,那也不会是现在这种局面。我现在很高兴看到我国在这个领域的蓬勃发展。”


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