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【人民政协报】解读潘建伟的“量子人生”

时间:2015-03-04 06:24:29 来源:人民政协报|

本报记者 包松娅

  “最近有一部好莱坞科幻大片十分火爆,一夜之间几乎全民都开始钻研空间、黑洞和引力——”“你说的是《星际穿越》吧”。记者采访潘建伟时,正值九三学社中央十三届三中全会召开。全国政协委员潘建伟在此次会议上被评为十位“九三楷模”之一。这位我国量子力学领域的顶级科学家,厚厚的眼镜片后闪烁着睿智的光芒,说起话来嘴角一抹微笑。
  “星际穿越中涉及到的很多现象都可以用物理原理进行解释。黑洞周围引力使时间变慢、星际旅行都可以被证实,但时间能不能被穿越,甚至是倒流回到过去,人类目前的知识还不知道。也有可能在一个我们目前未知的高纬度时空里能够实现。”潘建伟从自己所掌握的物理学知识对超时空现象予以解读,他说,无论是量子力学还是相对论,因果关系都是一个宝贵的原则,在这个原则中,人不能回到从前改变历史,破坏这种逻辑上的因果关系。
  在现实中,有一种与星际穿越很相似的物理现象,被称为“量子纠缠”。爱因斯坦称之为“遥远地点间幽灵般的相互作用”。“为什么在遥远地点之间还有这种超距的互动,如何利用这种超距的互动进行信息传输,就是我们现在正在研究的量子传输。”潘建伟口中的量子传输,说起来云淡风轻,44岁的潘建伟半生的辗转、汗水、荣誉和骄傲,都源于此。
  15年前,潘建伟的量子态隐形传输实验取得“量子信息实验领域的突破性进展”,这个实验被公认为量子信息实验领域的开山之作,欧洲物理学会将其评为世界物理学的年度十大进展,美国《科学》杂志将其列为年度全球十大科技进展。值得一提的是,该工作同伦琴发现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”。
  那一年,青年学者潘建伟29岁,并以这种方式实现了对自己未曾谋面的导师爱因斯坦的致敬。
  初探量子世界
  1987年,17岁的潘建伟考入中科大近代物理系。在大学他第一次接触到了量子力学,也迷上了这门科学。
  其实,最早发现潘建伟适合学物理的是他的中学老师韦国清。当时,潘建伟正在数学专业和物理专业之间犹疑。老师说,数学完全靠自由思想的创造,在很大程度像智力游戏。而你是一个感受鲜活,对事物敏感,善于发现规律的孩子,还是更适合学物理。
  感谢潘建伟的老师,为我们发现了一位卓越的物理学家。
  “量子力学所预言的种种奇特现象,以及量子力学诞生100余年来对人类物质文明进步所带来的巨大变革,使我对量子物理产生了浓厚的兴趣,探究量子世界的各种奇妙现象成了终生的奋斗目标。”潘建伟如是说。
  潘建伟现在还记得第一次读到《爱因斯坦文集》自序时的感受,“对于我,那就是一种天籁之音。”
  少时在家乡小山上凝视天穹,潘建伟经常会有一些隐隐约约的冥想。那种说不清道不明的感受,爱因斯坦清清楚楚地说了出来。自然界的规律不会因为一个人是否高贵是否地位显赫而变化,而是由自然界本身决定的。自然界的规律是永恒的,昨天是这样的,今天是这样的,明天也是这样。看着看着,潘建伟产生了一种巨大的安全感,这种安全感来自对规律统治世界的由衷折服。在潘建伟的心中,对世界的探究成为了保持精神自由的工具,成为了摆脱精神桎梏的飞行器。
  潘建伟是爱因斯坦的崇拜者,他喜欢阅读《爱因斯坦文集》。“爱因斯坦的散文是最深刻、最美的,让我坚定了研究物理的决心。让我感觉从简单的事实后面可以找到一个规律,现在、将来都不会变。”
  也是在爱因斯坦的“指引”下,潘建伟在硕士毕业后选择了出国留学。“当时中国国内在量子领域与国际先进水平相比还比较落后,我出去的理由很简单,就是为了学习先进的知识和技术。”
  在奥地利维也纳大学的塞林格教授门下攻读博士学位时,潘建伟脑子里酝酿了一个对量子态进行隐形传输的实验方案。一个月后,他觉得方案成熟了,便兴奋地在组里报告他的设想。然而,报告结束后全组没一个人说话,这令潘建伟十分诧异。好半天,塞林格教授问:“潘,你不知道这就是量子态隐形传输的理论方案吗?你不知道我们另一个小组正在做这个实验吗?”
  潘建伟一听,主动请缨加入实验组,塞林格考虑再三接受了他的请求。这一“请”一“允”,悄然改变了潘建伟的命运。
  把微观粒子送进我们的生活
  现在科学家用真实的实验证实了爱因斯坦的想象。而为了认识和操纵光子之间的纠缠状态,潘建伟同国内及德国、奥地利专家合作,对这一世界性难题研究了近十年时间。
  潘建伟向记者通俗地解释了量子纠缠,“这是光子间的神秘联系,奇妙在其中的一个光子经过测量就可以了解另外一个光子的状态;光子纠缠是一个整体,两个光子作为一个整体来看时如果试图窃听或偷走其中一个光子的信息,你将任何信息都得不到。这是另外一个特性,这就是其保密安全性所在。”
  但由于在量子通信通道中存在种种不可避免的环境噪声,“量子纠缠态”的品质会随着传送距离的增加而逐渐降低,导致量子通信手段目前只能停留在短距离应用上。
  2005年,当潘建伟与杨涛、彭承志等同事们发表了题为《13公里自由空间纠缠光子分发:朝向基于人造卫星的全球化量子通信》的研究论文后,13公里——这个当时国际上自由空间纠缠光子分发的最远距离,其纠缠的特性仍然能够保持的实验结果,让人们开始思考实现全球化的量子通信的可能性。
  值得关注的工作还有很多。2004年,潘建伟团队首次实现五光子纠缠,并在此基础上实现了一种更新颖的量子隐形传态,即终端开放的量子隐形传态,为奠定分布式量子信息处理的基础作出了贡献;2006年,首次实现了两光子复合系统量子隐形传态;2008年,首次实现了光子比特与原子比特间的量子隐形传态。潘建伟和其他量子物理学家一起,一点点开启量子世界的窗。
  也许,有人仍对这样晦涩的理论和技术难以理解,这些匪夷所思的科研成果有什么用途?150年前,当麦克斯韦发现电磁波时,人们也在问同样的问题。事实上,电磁波的发现才让电视、无线电、雷达和手机成为可能。对量子态隐形传输和纠缠交换的研究成果同样传递出的是人类的未来世界,为将来新一代量子通信打下基础。未来的量子通信,在原理上完全保密的,不能被窃听,在将来的国防上会有非常重要的应用。此外,通过对纠缠态的研究,可以为将来的高速度的量子计算机打下基础。
  潘建伟,就这样操纵着单个粒子,解开微观粒子蕴含的诡秘和矛盾,把它们送进我们的生活。
  从量子领域的追随者到领军者
  量子通信是迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式;量子计算、量子精密测量也分别因其超快并行计算能力、超高灵敏度在气象预报、石油勘探、卫星导航、医学检测等方面有重要意义。因此量子领域的研究对国家和百姓未来生活的影响巨大。
  2009年初,潘建伟在完成了冷原子方面的技术和人才积累后,“是回家的时候了。”
  潘建伟把在海德堡大学的实验室整体搬回到中国科大,并以中组部“青年千人计划”、中科院“百人计划”等方式,将一批优秀的青年学术骨干从欧洲引进到中国科大工作。“搬家的清单足足列了120页,大到激光器,小到12毫米的镜片,全部搬回来了。”
  潘建伟说:“科大的量子物理实验室从组建伊始就是开放式的。”以多年国外顶尖实验室经验,知识和人才的互换互补,是提升实验室实力的最好办法。实验室科学需要学科非常庞杂,光学、电子学、真空等诸多门类缺一不可。在世界顶级实验室中,如美国斯坦福大学的YoshihisaYamamoto实验室、瑞士日内瓦大学的NicolasGisin实验室、英国剑桥大学卡文迪许实验室的MeteAtatüre实验室、德国马普量子光学研究所的ImmanuelBloch实验室、奥地利因斯布鲁克大学的PeterZoller实验室等,都有潘建伟派出的访问学者,他们在合作中学到自己实验室长远发展所需的知识。可以说,十年下来,潘建伟的实验室已经在人才和技术方面具备了较雄厚的积累,这种积累在成果产出上得到了充分体现。自2001年组建中科大实验室以来,潘建伟团队在Nature和Nature子刊上发表了20篇具有重要国际影响的学术论文。
  英国著名的科学新闻杂志《新科学家》以封面标题的形式,对潘建伟科大团队进行这样的评价:“中国科大——因而也是整个中国———已经牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地。”
  潘建伟团队的科研人员并不满足,仍在和时间“赛跑”。每周工作7天、每天超过12个小时对于他们来说,是家常便饭。
  幸运之神往往与努力拼搏比肩。
  潘建伟的团队获得了不胜枚举的耀眼荣誉,该团队在国内取得的成果曾1次入选英国《自然》杂志评选的年度十大科技亮点,2次入选欧洲物理学会评选的年度国际物理学重大进展,3次入选美国物理学会评选的年度国际物理学重大事件,7次入选由两院院士评选的年度中国十大科技进展新闻。
  2012年底,英国《自然》杂志在其评选的年度十大科技亮点中指出:“在量子通信领域,中国用了不到十年的时间,发展成为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美……”
  我国从量子通信领域的追随者到领军者,潘建伟功不可没。
  “如果说当年杨振宁先生和李政道先生证明,中国人在国外可以做很好的‘科学’。那么我们现在证明了,中国人在国内也可以做很好的‘科学’。”把智慧与才华贡献给祖国,潘建伟引以为自豪。
  心怀民生的政协委员
  早在2005年,潘建伟成为九三学社大家庭的一员。多年来,他与众多优秀的知识分子代表一起见证了九三学社在新时期建功立业、参政议政、建言献策的发展历程,深刻体会到知识分子对国家发展的重要作用和责任。“能够在自己感兴趣的领域做出一点成绩,并为祖国的科技进步尽一份力,是一个科研工作者最为幸福的感受。”
  2013年,科学家潘建伟有了新的身份,全国政协委员。紧张的科研工作之余,他的时间被提案和调研塞得更满了。
  虽然手头的研究工作很多,每天无论多晚,潘建伟都会抽出时间做些科研以外的功课。在他的电脑上,存了大量环境污染的图片和相关资料。潘建伟说,环境污染、交通拥堵以及科技创新,都是他一直关注的问题。“原来我认为自己的本职工作是搞好科研为国争光,现在我明白一个科学家也可以‘为民请命’。”
  “比如环境污染问题,我认为这是目前一个非常着急的问题,如果说科研可以慢一点搞的话,污染治理却不能再慢了。”说起话来不紧不慢的潘建伟也有着急的时候。
虽然污染研究不是潘建伟的学术领域,但他说自己也有一个优势,他认识很多国内外从事这方面研究的专家学者,大家一起能够形成合力。2013年两会召开前夕,还是新委员的潘建伟放下手头正忙的研究工作,提前来到北京,去中科院生  态环境研究中心等单位实地调研。
  潘建伟说,他并不着急写提案,还有很多类似于空气污染和管理汽油的标准究竟有没有关系等问题,他希望能找到更翔实的科学依据来说话。“我不想泛泛地说,随便提一提,那就没什么太大意思。没有数据就没有发言权,我希望能够经过进一步调研之后,提出一个具有可操作性提案来。”
  潘建伟就这样把一个科学家的严谨认真带到了政协委员履职中,参加两次大会,就提出了关于城乡医疗一体化、环境治理等方面数件提案,他的每份提案和发言稿都像一篇论文,有数据有出处,有分析有建议。哪怕为了其中的一个数据,他也会先去调研一番,遇到自己不熟悉的领域,四处跟人请教。
  “成为政协委员之后的声音可能会大一点,可能会得到大家更多的关注,当然要加倍珍惜充分利用,希望能够做一些对社会和整个国家的发展有用的事情。”此时的潘建伟已然褪去新委员的“青涩”,大步走在一个全国政协委员参政议政的路上。
  人民政协报 2014-12-16期04版 

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