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长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

日志

 
 

逐梦量子 领跑世界  

2016-06-03 09:20:05|  分类: 自然科学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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逐梦量子  领跑世界 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 
  一身黑色西装,戴着一副黑框眼镜,中国科学技术大学教授潘建伟在2016年1月8日举行的全国科学技术奖励大会上作为唯一获奖代表发言。由他领衔的“多光子纠缠及干涉度量”项目获得2015年度国家自然科学奖一等奖,在过去十几年中,该奖曾出现9次空缺,他同时也是1999年至今止自然科学奖最年轻的第一完成人。
  事实上,潘建伟团队一直活跃在国际物理学前沿。他们的研究成果1次入选《自然》评选的“年度十大科技亮点”,3次入选英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”,3次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”,这在中国科学界十分少见。
  “20年前,奥地利茵斯布鲁克大学Zeilinger教授问我的梦想是什么,我说要在中国建一个世界一流的量子物理实验室。”
  潘建伟始终将自己视为一个追梦人。如今,他带领平均年龄三十六七岁的年轻团队在世界量子研究领域占据一席之地。面对累累果实,他没有丝毫松懈。“我们正处于往上走的过程中,还没到顶峰,只获得了阶段性的成果。最难的事情是怎么保证这个实验室成为‘百年老店’,我们还要不停地努力。”
   
探寻科学之美
   
  潘建伟不像他所研究的内容一样“高冷”。他个头不高,平时多半穿一件休闲外套,思索时极其严肃,笑起来却像是一个天真烂漫的少年。生活中的他十分随和,只不过每当向人谈起科学时,他的眼里总是闪烁着光芒。
  “在微观世界里,所有的东西都是颗粒化的。我们的灯光也不例外,灯光也是由一颗颗极小的光子组成的。多个光子之间通过一种相互作用就会形成多光子纠缠,对多光子纠缠进行操作就叫做多光子纠缠干涉度量学。”
  不同于经典世界,量子世界充满着许多奇妙现象,其中一个就是量子纠缠。潘建伟拿人们常用的骰子作比,“如果两个骰子处于纠缠态,扔的时候,两个骰子最后会各自随机得到一个结果,但无论相距多远,两边的结果都将是完全一样的”。它就像是双胞胎之间的心灵感应,无论相距多远,纠缠在一起的光子的状态总是完全相同的。
  当经典物理学在描述微观系统方面显得越来越不足时,量子出现在世界上100多年间,经普朗克、爱因斯坦、玻尔等科学家的不懈努力,建立起了量子力学理论的基础。1935年,爱因斯坦等科学家指出,量子纠缠所体现的量子力学非定域性与作为经典物理学基本观念的定域实在论之间存在着根本的矛盾:定域实在论告诉我们,处于类空间隔的两个事件相互不会产生任何影响;然而量子力学非定域性预言,处于量子纠缠的两个粒子,无论相距多么遥远,对其中一个粒子的测量会瞬间改变另外一个粒子的量子状态。爱因斯坦把这一现象称为“遥远地点之间的诡异互动”。
  这种“诡异互动”到底是否存在,一直停留在思维辩论的阶段。直到1964年,Bell指出,在两粒子纠缠中,对于某一类随机事件发生的概率,量子力学与定域实在论给出不同的预言,因而通过Bell不等式可以从统计意义上对量子力学非定域性进行实验验证。
  “从20世纪量子力学和相对论建立以后,我们在理论上其实没有非常重大的突破。目前我们正处于发展实验的阶段。只有当实验不停地发展,而你看到某些现象用现在的理论解释不了时,新的理论才会诞生。”
  潘建伟坦言:“科学给人一种永恒的感觉,因为宇宙之中的规律是可以寻找的,我觉得特别美。另外,每个人在科学面前都是平等的,哪怕你是个无名小卒,如果发现了真理,也没有任何人能够抹杀。这让我感觉特别宁静。”
  随着人类对量子力学非定域性的深入研究和量子调控技术的巨大进步,量子物理原理在信息科学中的革命性应用开拓了与经典方式具有本质区别的全新的信息处理和通信方式,催生了量子信息科学这一新学科。
  “通过对光子、原子等微观粒子进行精确的人工操纵,量子力学原理提供了一种全新的方式对信息进行编码、存储、传输和调制,在提高运算速度、确保信息安全和提升测量精度等方面能够突破经典信息技术的瓶颈。”
  其中,多粒子纠缠具有深刻的物理内涵和巨大的应用价值。一方面,Bell不等式仅从统计意义上揭示了量子非定域性。1989年,Greenberger、Horne和Zeilinger提出GHZ定理:对于某些多粒子纠缠体系的某类事件,量子力学预言它必然发生,而定域实在论预言它必然不发生。利用多粒子纠缠,能够以确定性的方式揭示出量子的非定域性。另一方面,量子信息处理能力随纠缠粒子数的增加呈指数增长趋势,多粒子纠缠是量子信息处理的核心资源。当然,这一切的实现有赖于纠缠粒子数目的不断增加。正如2012年诺贝尔物理学奖获得者Wineland指出的,“纠缠粒子数越多,量子力学非定域性越强烈,对量子信息处理也越有用”。
  然而,多粒子纠缠操纵存在巨大的实验挑战。2003年之前国际上基本处于对单量子粒子体系和两粒子纠缠的研究水平,多粒子纠缠的实验制备和操纵几乎空白。
  2003年,潘建伟团队在国际上首次实现了多体纠缠性质被严格验证的四光子纠缠态,并通过验证GHZ定理以最强烈的方式揭示出量子力学与定域实在论之间的矛盾。此后,他们一直在多光子纠缠操纵实验研究上处于国际领先地位,先后在国际上首次实现了五光子(2004年)、六光子(2007年)、八光子(2012年)纠缠,一直保持着纠缠光子数目的世界纪录。目前,潘建伟团队正在向十光子纠缠努力,他们希望在10年之内,实现50个甚至100个光子纠缠。
   
从跟随到引领
   
  1996年,硕士毕业的潘建伟来到量子力学的发源地——奥地利,师从世界量子物理实验研究大师、茵斯布鲁克大学Zeilinger教授。
  “他刚来时对实验工作一无所知,但是他很快就掌握了实验的规则,并开始设计自己的实验。”在《自然》杂志的采访中,Zeilinger教授说道。
  回想起这段国外求学经历,潘建伟始终难忘一次“过时”的发现。“1996年,我对两个粒子进行处理的时候,发现一个粒子的状态跑到另一个很远的粒子上面去了,我当时以为有了重大发现。其实早在1993年,别的科学家就提出过这个方案,这就是量子隐形传态的方案。尽管如此,我还感觉像是再发现一样,觉得特别有意思。”
  同样为此感到兴奋的,还有Zeilinger教授。他看到了这个中国男孩的科研潜力,同意他加入这个实验,算是对他能力的一种认可。
  就这样,潘建伟的科研之路逐渐步入正轨。同时也证明,当初出国是正确的选择,而这本不在他的计划之中。“英语一直就像是我的噩梦,尽管我拼命、拼命地学,但还是学得不是特别好。上大学之后,我没想过出国。后来随着自己的理解更加深入,发现在国内很难找到能够和我共同沟通的人。当时就特别恐慌,觉得不出国就完蛋了。”
  1997年,Zeilinger教授带领团队首次在实验上实现了单光子单一自由度的量子隐形传态,并发表在《自然》杂志上,潘建伟是第二作者。该研究成果后来同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”之一。
  7年之后的2004年,潘建伟率领团队首次实现了终端开放的、多接收用户的量子隐形传态。这一成果入选当年英国物理学会和美国物理学会的“年度国际物理学重大进展”,这对中国科学家来说是第一次。
  “因为这是我们在国内工作后的首次入选,我们特别兴奋。当时觉得只要国家支持、自己努力,我们在国内也能够做比较好的科学,而不是中国人虽然很聪明,但只能到国外去做好的科学。”
  从2004年起,潘建伟团队不断取得重大突破。2006年,他们实现了多个粒子状态的量子隐形传态。2015年,潘建伟和他的学生陆朝阳一起首次实现了单光子多自由度的量子隐形传态。这项研究成果入选2015年度英国物理学会评选的国际物理学领域的十项重大突破并名列榜首。
  “1997年,我们只能传送一个粒子的状态。2004年,我们可以将粒子的状态传送到计算网络里任何一个终端。随后逐渐可以传送许多粒子的状态,传送的状态也变得越来越复杂。”
  针对潘建伟团队2015年取得的重大突破,英国物理学会《物理世界》指出,自1997年以来,原子自旋、相干光场以及其他实体等所有单个量子态也相继被传送,但是所有这些实验都局限于传送单一属性,将传送的属性扩展至哪怕是两个属性,都被认为是创举。
  “从基础研究的观点来看,我们首次证明了一个粒子所有的性质在原理上都可以通过量子纠缠传到很远的地方。对量子隐形传输来说,真正要传输一个微观粒子的状态,需要把一个微观粒子所有的性质都传过去。”潘建伟告诉记者。
  量子隐形传输有点像神话故事里孙悟空的“筋斗云”。利用量子纠缠,它可以把一个物体通过某种适当的操作从一个地方传到遥远的地方,传输的速度是光速。
  “当然,利用量子隐形传输传送物体和人还不行,但是可以用来做量子通信和量子计算。量子通信可以实现原理上是无条件安全的信息传输。量子计算则具有强大的并行计算和模拟能力,随着量子纠缠数目的增多,它的计算能力将远远超过天河二号。”
  英国《新科学家》杂志在“中国崛起”特刊中指出,“潘和他的同事使得中国科学技术大学——也是整个中国,牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地”;英国《自然》杂志在新闻特稿《量子太空竞赛》中指出:“这标志着中国在量子通信领域的崛起,从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美..”
  跟随潘建伟多年的陆朝阳对记者说:“潘老师是一个追求卓越的人,做事情一定要做到最好,做到极致。他非常不满足于现状,不断地攀登科学高峰。2004年,当国内外专家都认为做到五光子已经很不错的时候,他还是觉得有这个空间去创新,带领我们继续不断超越,做到八光子,给国际学术界带来了惊喜。”
  在潘建伟看来,一个人最后能够走多远,由3个因素决定:兴趣、能力和机遇。“兴趣和能力是最重要的,你可能失去第一个机遇,但是第二个机遇又会找到你。如果一个人有足够的耐心,机遇迟早会降临。”
   
科技回报社会
   
  曾筹建中科大近代物理系并担任系主任的赵忠尧先生留给后人一段话:“回想自己一生,经历过许多坎坷,唯一希望的就是祖国繁荣昌盛、科学发达。我们已经尽了自己的力量,但国家尚未摆脱贫困与落后,尚需当今与后世无私的有为青年再接再厉,继续努力。”潘建伟将这段话作为系里的系训,与师生共勉。
  尽管当初在国外发展得很好,他还是于2001年回到国内组建实验室。在迈出国门的那一刻,他清楚地知道积累了一定的知识和技术以后,自然要带回来。
  “我们国家的发展经过两个阶段。1949年刚解放时,很多学者看到了中华民族伟大复兴的希望,所以他们毫不犹豫地回来了,这些人为奠定中国科技事业的基础做出了重要贡献。后来国家经济的发展得益于广大的民众,他们用辛苦挣来的钱支持科学家的工作。现在,我们搞高科技的人就有一个责任,要让我国科技从跟踪、模仿变成引领。同时让广大的人民享受到科技的红利。”
  随着信息技术的不断发展,计算能力的提高,传统上认为很难破解的加密方法逐渐被一一破解,网络犯罪每年给全球带来数千亿美元的经济损失。潘建伟告诉记者,量子通信可以从根本上解决国防、金融、政务、能源、商业等领域的信息安全问题。它克服了经典加密技术内在的安全隐患,是迄今唯一被严格证明是无条件安全的通信方式。
  量子通信具有如此强大的功能,主要依靠量子密钥分发。量子密钥分发虽然在理论上具有无条件安全性,但原始方案要求使用理想的单光子源和单光子探测器,而这在现实条件下很难实现,导致现实的量子密钥分发系统可能存在各种安全隐患。
  2007年,潘建伟团队利用诱骗态方法,克服了现实条件下光源不完美带来的安全隐患,在国际上首次实现了安全通信距离超过100公里的光纤量子密钥分发,从而打开了量子通信技术实用化的大门。
  “光源问题解决之后,大家以为很安全了。但是到了2010年,发现理论的安全性跟实际的安全性仍有差距,发射端是安全的,但是接受端有一个强光攻击,窃听者可以通过强的信号让你的探测器在其希望给出信号的时候才给出信号。所以只能看到窃听者想让我们看见的东西,这样一来就完全掌握我们的密钥了。2012年,我们解决了探测器的漏洞。”
  然而他们并不满足于此。“这个技术在光纤通道中只适用于城域网,覆盖范围很小。随后我们开展了一些新的工作,比如说在可信中继的帮助下,保证每个节点都安全的情况下,构建大尺度的通信骨干网工程。最终目的是构建一个广域量子通信网络。”
  目前,以潘建伟团队为主要建设单位的远距离量子通信骨干网“京沪干线”项目正在建设之中,它将建设连接北京、上海,贯穿济南、合肥等地的千公里级高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络,预计于2016年下半年建成。
  与此同时,中科院量子科学实验卫星预计也将在2016年下半年发射,将在国际上率先实现高速的星地量子通信并连接地面光纤量子通信网络,初步构建我国的广域量子通信体系。
  量子在通信方面展现了广阔的应用前景,如果将它运用于计算机,会发生怎样的变革呢?潘建伟告诉记者,因为量子比特可以同时处于0和1的叠加状态,这意味着量子计算机能同时尝试所有可能的解,以远超传统计算机的速度进行复杂的计算。
  “在量子计算方面,我们希望通过3到5年的努力能够达到25个左右粒子的光子纠缠,这个时候它在某些问题上的计算能力,比如在波色取样方面和目前商用CPU的速度一样。通过10年左右的努力,我们希望实现50个甚至100个粒子的纠缠,这个时候我们的计算能力就能够大大超过天河二号。”
  然而,随着量子纠缠数目的增加,实验的难度也逐渐增大。量子计算的最大挑战是克服各种环境噪声和比特错误,实现可容错的普适量子纠错。以往的量子纠错要求量子比特的错误率小于10-5,已远远超过现有技术水平。
  2012年,潘建伟团队利用八光子纠缠首次实现了拓扑量子纠错,将错误率的要求大大放松到10-2,使有效量子计算成为现实可能。该研究成果以“长文”(article)的形式发表在Nature纪念图灵诞辰100周年的特刊上。
  “尽管实现真正意义上的通用量子计算机还比较遥远,但是专用于解决特定问题的量子模拟机非常有希望在5至10年内取得重大突破。同时我们希望在物理学基本问题方面的研究取得一些有效的进展。”
  潘建伟希望,在他的有生之年,可以看到以量子计算为终端、用量子通信做安全保障的一种互联网诞生。“科学研究不仅要仰望星空,也要脚踏实地。我们不能再像以前那样,用一火车的东西去换人家一皮包的芯片。我们不仅要关注原始创新,也要鼓励成果转化,为国计民生做些事情,让普通老百姓享受科技带来的利益。我们的团队正在朝着这个方向努力。”
   
打造“百年老店”
   
  建造世界一流的量子实验室,潘建伟已经梦想成真。如今,他所思考的是如何保证这个实验室成为“百年老店”。
  “要成为‘百年老店’,只做一个方向是不行的。所以这也是为什么我们把冷原子做起来了。同时一定要和别人不停地沟通和交流,源源不断地把好的知识带回来,这条路我们是走出来了。”
  20年前,潘建伟出国留学的经历,使他收获颇多。“出去之后确实学到了很多国际上最前沿的东西,同时也得到了大师的指导。大师会告诉你,这里有果子,如果你有能力的话就能够摘到。当你真的摘到果子后,自信心也出来了。你会发现原来你的能力和大师是完全可以比肩的。”
  2001年,潘建伟回国筹建实验室。他告诉记者:“当时国内对量子信息的认识不足,有人甚至说这是伪科学。相比认知上的困难,人才缺乏的问题更加突出。量子研究需要多方面人才,一个人建不起一个实验室。”
  那时,他开始在中科大物色学生。彭承志、陈宇翱、陆朝阳等一批非常优秀的年轻人相继加入他的实验室。他心里明白,实验室建设需要多学科人才,而学习国外顶尖实验室的先进技术,是快速提升实验室实力的最好办法。
  因此,潘建伟在国内发展多光子纠缠操纵的同时,以玛丽·居里讲席教授的身份在德国海德堡大学开展合作研究,同时将学生分别送往奥地利因斯布鲁克大学、英国剑桥大学、德国马普量子光学所、瑞士日内瓦大学、美国斯坦福大学……就像一道鲜美可口的菜肴需要不同的原料掺杂在一起,发生奇妙的化学反应一样,他就是那个掌厨人。
  2008年,在完成了充分的技术积累和人才储备后,潘建伟放弃了海德堡大学的职位,将在海德堡大学的实验装置陆续搬迁回中科大,同时将一批优秀的年轻人才陆续从世界各地引回到中科大,组成了一批以优秀青年人才为主、优势互补的研究团队,并逐渐建立起具有国际先进水平的实验研究平台。
  “派出去的每个人做不同的方向,回来后大家取长补短,合作效果就一点点显现出来了。”团队成员张强说。近年随着中国量子物理研究的声名鹊起,一些外籍专家和学生也陆续加入他们的团队。据了解,潘建伟团队中已有2位外籍教授、6名外籍留学生。
  “潘老师一直把国际上最强的队伍作为我们的对手,我们一直把自己放在国际的战场上,而不仅仅局限于国内。长期以来,我们从未停止与国外的交流。”陆朝阳告诉记者,“他思考的不仅是我们团队和学校,更多的是整个国家的量子信息怎么发展。如果这件事做不好,他就会很内疚。他是一个很有责任感的人。”
  就量子信息科学来说,他们正围绕着3个问题开展实验研究:如何让量子的相干性保持时间更长一些,让纠缠粒子的数目越来越多以及让控制和制备的效率越来越高。
  “我们与国际上的大方向是一致的,就看谁跑得快。从整体上来说,我们是领先的。从某一个单元技术上讲,基本上在前几名,不敢说每一个单元技术我们都是领先的。”潘建伟认为,至今取得的这些成就,离不开国家的支持,更离不开朝夕相处的同事们。这个团队就像家一样温暖,他们每天一起加班,一起讨论问题。“吵架是我们的常态。如果讨论的时候,观点不一样,我会随时改变我的主意。”
  在人才引进时,他最看重的是品德。他认为,互补对团队来说很重要,合作精神更加重要,同时也要允许一些怪才存在。“同伴如果取得很好的成果,我们也会很高兴,同时也催促我们继续努力。这是一种友好的竞争。”陆朝阳告诉记者。
  在潘建伟的带领下,团队养成了一个良好的风气。“你在实验室里做实验基本上半夜12点之前离开就好像是早退,会感到很内疚。”陈宇翱告诉记者。潘建伟在一旁打趣道:“他们确实也很勤奋,有时候我觉得我在工作的时候他们不在工作,我心里就很不平衡,我都还没走,你们凭什么走啊。”说完,他哈哈大笑起来。
  “近年来,国家的经济实力和综合实力不断得到增强,让我们能够有一个用武之地。国家经过这么多年的耐心支持,至少在物理学方面已经到了收获的阶段。冷原子做起来后,就可以很保险地说在我退休之前,我们在国际上始终举着一面旗帜。后面的事情,就是他们年轻人来布局了。”潘建伟说。
  除了紧张的工作状态,他也有放松的时候。“当事情做不出来时,我会反复去做。特别急的时候,我会做到凌晨两三点钟,到天亮也有。如果突然间取得了一个突破,我觉得当天的任务就完成啦!一看阳光特别好,就跑出去散步。”潘建伟做科研,也热爱生活。当他感到特别烦躁时就会去旅行,在旅行的过程中重新获取能量。
  就是这样的潘建伟,始终将个人的发展与国家紧密联系在一起,也总会选择一些有重大基础理论意义、与民生息息相关的课题去研究。他时常对学生强调,“你们是为自己工作,也是为了国家的繁荣,而不是为我”。

原载《中国科技奖励》2016.04
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