量子世界里的“牧羊人”——專訪中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士

原文轉(zhuǎn)自中國光學(xué)微信公眾號不久前，諾貝爾物理學(xué)獎授予了法國物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家約翰·克勞澤（John f. Clauser）和奧地利物理學(xué)家安東·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他們在量子信息科學(xué)研究方面所作出的貢獻(xiàn)，這也意味著人類正在進(jìn)入全新的量子信息時代。而在中國有這樣一位科學(xué)家，他從上個世紀(jì)80年代開始便率先在中國扛起量子研究的大旗，在這片量子光學(xué)和量子信息學(xué)發(fā)展還很貧瘠的土地上“開荒”“耕耘”，他就是郭光燦院士。

“昨夜西風(fēng)凋碧樹。獨(dú)上高樓，望盡天涯路”。他以興趣為起點(diǎn)，以科學(xué)家責(zé)任為擔(dān)當(dāng)，挑戰(zhàn)人生第一道門檻——量子光學(xué)。那時在中國，量子光學(xué)還是無人問津的領(lǐng)域，他冒著科研生涯“竹籃打水一場空”的風(fēng)險，頂著否定和懷疑，甘當(dāng)冒險者，在近60年的歲月長河中培養(yǎng)了35屆學(xué)生，發(fā)起中國第一屆量子光學(xué)會議，加快了中國量子光學(xué)發(fā)展的腳步。彼時的他是蒼茫量子大地上孤獨(dú)的“牧羊人”。

“衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴”。90年代初，他以敏銳的目光將研究聚焦在量子信息這一“小荷才露尖尖角”的領(lǐng)域，挑戰(zhàn)人生第二道門檻——量子信息學(xué)，試圖尋找新的突破點(diǎn)和方向，推動中國在這一新興交叉學(xué)科的領(lǐng)域拔得頭籌，站穩(wěn)腳跟。如今，中國在量子優(yōu)盤、量子芯片等方面的研究居世界前列，中國量子信息的研究實(shí)現(xiàn)了與國際同行并駕齊驅(qū)的局面。此時的他是等到寒冬融化了牧場的“牧羊人”。

“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”。如今已入耄耋之年的他開始挑戰(zhàn)人生的第三道門檻——揭秘經(jīng)典世界和量子世界的奧秘?？茖W(xué)的魅力在于下一秒的未可知，如今的他依然樂此不疲地奮戰(zhàn)在科研一線，做科普，教學(xué)生?，F(xiàn)在的他是吹開了笑臉的“牧羊人”。

接下來，請跟隨“Light人物”，一起走進(jìn)神秘莫測的“量子世界”，感受量子帶給我們的科學(xué)之美。

郭光燦，中國量子光學(xué)和量子信息科學(xué)的開拓者、先行者與奠基人。中國科學(xué)院院士、第三世界科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國光學(xué)學(xué)會前理事長。1965年郭光燦從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)本科畢業(yè)后留校任教；1981年至1983年作為訪問學(xué)者，前往加拿大多倫多大學(xué)學(xué)習(xí)；2003年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士；2009年當(dāng)選為第三世界科學(xué)院院士。20世紀(jì)80年代，郭光燦率先將量子光學(xué)理論體系引入國內(nèi)。20世紀(jì)90年代，郭光燦又率先將目光投向量子信息領(lǐng)域，承擔(dān)國家“973計劃”項(xiàng)目，使量子信息科學(xué)在中國獲得了長足發(fā)展。他曾提出概率量子克隆原理，推導(dǎo)出最大克隆效率，在實(shí)驗(yàn)上研制成功概率量子克隆機(jī)和普適量子克隆機(jī)。2021年，郭光燦憑借《基于量子信息技術(shù)研究量子物理基本問題》獲得2020年度國家自然科學(xué)獎二等獎。

采訪對象：郭光燦（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

采訪人：王卉

1Q：作為中國量子領(lǐng)域的開拓者和發(fā)展人，您能簡要介紹一下您的研究方向和內(nèi)容嗎？A：我于80年代初開啟了量子科學(xué)的研究征途，最初十年主要從事量子光學(xué)基礎(chǔ)研究，九十年代初跨進(jìn)到量子信息領(lǐng)域，并逐步建立充滿活力的研究團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)建了中國第一個省部級量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。主要研究方向和內(nèi)容包括：
①量子計算?；?a target="_blank">半導(dǎo)體、超導(dǎo)、離子阱和光學(xué)系統(tǒng)等研制專用的量子模擬和通用量子計算機(jī)；
②量子糾纏網(wǎng)絡(luò)。研制量子光源、量子通道、量子存儲器等。實(shí)現(xiàn)量子中繼和量子優(yōu)盤，構(gòu)建大尺度量子網(wǎng)絡(luò)；
③量子精密測量。利用固態(tài)自旋和冷原子系綜等研制高精密的量子傳感和量子探測裝置。研制集成的量子芯片；
④實(shí)用化量子密碼。研制高效、實(shí)用、安全的量子密碼系統(tǒng)，探索新型的量子密碼體系；
⑤ 量子物理基本問題。理論上研究量子信息和量子物理的基本問題，并使用量子信息技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索。
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Q：您和段路明發(fā)表了中國物理學(xué)家關(guān)于量子研究的最早一批論文。1997年您在《物理評論快報》發(fā)表的論文中提出“通過比特配對來保持量子計算中的相干性”的方案。一年后，您提出的概率量子克隆原理，被稱為“段-郭克隆機(jī)”，震驚了國際量子光學(xué)界。據(jù)我所知，您的學(xué)術(shù)之路并非一帆風(fēng)順，那您在探索道路上遇到了哪些困難？克服這些障礙對量子光學(xué)的發(fā)展有什么意義？

A：無論是開啟量子光學(xué)還是繼后的量子信息研究，當(dāng)時在國內(nèi)學(xué)術(shù)界都屬“冷門”，很難得到理解和支持，甚至被扣上“偽科學(xué)”的帽子。坐了二十年“孤獨(dú)無援”的冷板凳，一直到2001年獲得科技部第一個“973”項(xiàng)目才獲得轉(zhuǎn)機(jī)。量子信息技術(shù)沒有國家經(jīng)費(fèi)的支持是不可能獲得重要進(jìn)展的。

我研究量子光學(xué)的動機(jī)主要是個人對量子科學(xué)的興趣。當(dāng)我看到量子信息技術(shù)對提升國力和民族復(fù)興有著極其重要的作用，尤其是量子計算必將成為國際戰(zhàn)略競爭的焦點(diǎn)，雖然大眾極不理解，但是我有責(zé)任努力去爭取學(xué)術(shù)界和領(lǐng)導(dǎo)決策層的理解和支持，推動中國盡快投入到這個新興交叉學(xué)科的競爭，發(fā)出中國人的聲音?？萍疾孔源酥缶鸵恢标P(guān)注和支持量子信息領(lǐng)域的發(fā)展。我作為第一個“973”項(xiàng)目的首席科學(xué)家，也盡可能去團(tuán)結(jié)國內(nèi)相關(guān)學(xué)術(shù)隊(duì)伍，這個項(xiàng)目先后培養(yǎng)了量子信息領(lǐng)域的五位院士。因此，我認(rèn)為，2001年是中國量子信息發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

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Q：2000年，您和團(tuán)隊(duì)?wèi){借“利用光腔制備兩原子糾纏的方案”研究再次引起世界矚目，法國物理學(xué)家塞爾日·阿羅什(Serge Haroche)因驗(yàn)證該試驗(yàn)，證明了分離單個離子和光子是可能的，而被授予2012年諾貝爾物理學(xué)獎。您認(rèn)為此方法的重要意義是什么？

A：法國科學(xué)家塞爾日·阿羅什獲得2012年諾貝爾物理學(xué)獎，是因?yàn)樗谝粋€在實(shí)驗(yàn)上成功地調(diào)控單個原子，從而開啟了“量子調(diào)控”新時代。我們的理論方案是制備兩個原子糾纏的有效途徑。阿羅什用他的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)采用我們的方案制備了兩原子糾纏態(tài)。這是他量子調(diào)控成功的佐證之一。4

Q：不久前，您第一次在毫米量級的宏觀世界里沒有漏洞地驗(yàn)證了LG（Leggett-Grag）不等式，對量子力學(xué)發(fā)展的第二次革命產(chǎn)生了重大影響，從量子光學(xué)到量子信息學(xué)再到量子力學(xué)，您是如何做到無縫銜接的？這項(xiàng)成果對量子力學(xué)的發(fā)展有什么意義？

A：量子光學(xué)是研究光與物質(zhì)相互作用的全量子理論，它將量子力學(xué)應(yīng)用到光學(xué)領(lǐng)域，80年代這個學(xué)科已經(jīng)十分成熟，但國內(nèi)因?yàn)楦鞣N原因?qū)α孔庸鈱W(xué)知之甚少，我們的工作只是填補(bǔ)了國內(nèi)的空白，將量子光學(xué)應(yīng)用到物理學(xué)各領(lǐng)域，同時培養(yǎng)一支量子光學(xué)的科研和教學(xué)隊(duì)伍。量子信息是將量子力學(xué)應(yīng)用到信息領(lǐng)域，在這個新興交叉學(xué)科發(fā)展初期，信息載體多數(shù)是光場，我們及時將成熟的量子光學(xué)理論應(yīng)用到量子信息的研究中，很快就取得了一系列重要進(jìn)展。量子信息其后的發(fā)展就逐步擴(kuò)展到原子、凝聚態(tài)領(lǐng)域。而當(dāng)量子信息技術(shù)發(fā)展較為成熟后，我們又將該技術(shù)反過來應(yīng)用于研究量子世界的奧秘，發(fā)現(xiàn)許多新的量子現(xiàn)象。無漏洞地驗(yàn)證LG不等式就是其中的成果之一。這些研究加深了人們對量子力學(xué)的理解，有力地推動著量子力學(xué)更深刻地發(fā)展。

5Q：如今“量子優(yōu)盤”的概念非?；穑芎喴蛭覀兘榻B一下它的工作原理嗎？它的出現(xiàn)會引起哪些變化？

A：“量子優(yōu)盤”工作原理：將欲傳遞的量子信息存儲在“優(yōu)盤”里，然后運(yùn)用傳統(tǒng)的運(yùn)輸工具，如高鐵、汽車、飛機(jī)等將“量子優(yōu)盤”運(yùn)送到接收地方，取出其中的信息。這種遠(yuǎn)程傳送量子信息的方法可以彌補(bǔ)光纖遠(yuǎn)程量子通信的不足，它無需糾纏源和量子中繼，而且可以傳送到無光纖端口的地方，是種新穎的遠(yuǎn)程量子通信方案。當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)這種遠(yuǎn)程量子通信，“量子優(yōu)盤”必須達(dá)到若干性能指標(biāo)：存儲時間應(yīng)大于一個小時。目前我們的相干光存儲已達(dá)到一個小時，甚至有望達(dá)到25小時，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)單光子存儲；存儲器的存儲模式應(yīng)足夠多；保真度要足夠高等。進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)兩個量子優(yōu)盤的糾纏，將其中一個優(yōu)盤傳送到對方，這可確保信息傳輸?shù)陌踩?，因?yàn)榧词惯@個優(yōu)盤被竊聽者盜走，它也無法取出所傳輸?shù)娜魏涡畔ⅰ?br />6Q：由您倡議并首次組織發(fā)起的量子光學(xué)會議從初建時的十幾人到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為500人以上的科學(xué)大會，為量子學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者提供了學(xué)習(xí)和分享交流的機(jī)會，您當(dāng)初為什么想要舉辦這個會議？它的發(fā)展軌跡達(dá)到了您的預(yù)期了么？
A：我之所以在80年代發(fā)起和組織“量子光學(xué)會議”，是因?yàn)槲乙庾R到“量子光學(xué)”是門重要的基礎(chǔ)性學(xué)科，不僅對光學(xué)領(lǐng)域甚至對整個物理學(xué)都極其重要，必須盡快介紹給國內(nèi)學(xué)術(shù)界，推動量子光學(xué)在國內(nèi)發(fā)展。1984年在安徽瑯琊山種下“量子光學(xué)”的種子，之后每兩年召開一次全國性學(xué)術(shù)會議，吸引越來越多的年輕人加入量子光學(xué)隊(duì)伍。尤其是量子信息誕生后，量子光學(xué)在其中發(fā)揮了舉足輕重的作用，研究隊(duì)伍迅速擴(kuò)大，各高校陸續(xù)開設(shè)“量子光學(xué)”課程。“量子光學(xué)”在國內(nèi)很快生根結(jié)果，呈現(xiàn)一派生機(jī)盎然的前景，達(dá)到了我當(dāng)初的預(yù)期。
7Q：量子學(xué)現(xiàn)如今成為公認(rèn)的重要學(xué)科，您覺得它為什么能夠如此快速地發(fā)展？A：“量子信息”發(fā)展如此迅速是因?yàn)樗鼮槿祟惿鐣峁┝艘环N嶄新的信息技術(shù)，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越當(dāng)下的信息技術(shù)。一旦量子技術(shù)廣泛獲得應(yīng)用，人類社會生產(chǎn)力可以提升到新的水平。正是人類發(fā)展的重大需求促使量子信息迅速發(fā)展。

8Q：您在決定從事量子光學(xué)時，曾遭到很多質(zhì)疑和反對的聲音，那時很多人對“量子”都很陌生，您為什么想要研究“量子學(xué)“相關(guān)研究？現(xiàn)在回頭看您覺得有哪些收獲？

A：當(dāng)一門學(xué)科剛萌芽時，多數(shù)人不理解，提出質(zhì)疑甚至反對，這屬于正?，F(xiàn)象?，F(xiàn)在回想起來，我當(dāng)時一接觸到“量子信息”就被深深吸引住，很快意識到這門新生學(xué)科有巨大的發(fā)展前景，便毫無猶豫地全力投入進(jìn)去。之后越研究越感到其潛力巨大，并逐步地把握住量子信息技術(shù)發(fā)展的脈搏，提前布局，迅速做出前沿性成果，并形成當(dāng)下實(shí)驗(yàn)室完整布局。

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Q：您曾培養(yǎng)了80余名博士生，您注重學(xué)生哪些能力的培養(yǎng)？您對他/她們的期望是什么？

A：科學(xué)研究要有積累和傳承，我相信“量子信息”的發(fā)展需要幾代人的共同努力，因此非常注重學(xué)生培養(yǎng)。目前已培養(yǎng)了80余名博士，其中5人榮獲過百篇優(yōu)秀博士論文。我在培養(yǎng)學(xué)生時特別注意①激發(fā)學(xué)生對科研的熱情，并將科研作為終生奮斗的事業(yè)；②為學(xué)生選擇國際前沿的課題，鼓勵學(xué)生做出國際一流成果；③盡量為學(xué)生創(chuàng)造良好科研和生活條件；④確保實(shí)驗(yàn)室有良好的學(xué)術(shù)風(fēng)氣，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)精神。將“品味科學(xué)”作為我們的座右銘。我期望在中國的土地上培養(yǎng)出國際一流的人才。

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Q：2017年，您與自己的學(xué)生、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭國平教授聯(lián)合創(chuàng)立了合肥本源量子計算科技有限責(zé)任公司，這是中國第一家致力于量子計算機(jī)開發(fā)的公司，該公司取得了很多突破性成果，您能簡要介紹一下嗎？請您簡談一下科研和產(chǎn)業(yè)兩者的關(guān)系？

A：本源量子計算公司是為將我們實(shí)驗(yàn)室十多年量子計算研究的成果開發(fā)為可實(shí)用的工程化量子計算機(jī)而創(chuàng)建的。其技術(shù)骨干是我們培養(yǎng)的量子計算博士。五年期間，已先后自主研發(fā)出24比特和64比特超導(dǎo)量子計算機(jī)（本源悟源），已交付用戶使用。開發(fā)國內(nèi)第一款司南操作系統(tǒng)、”本源天機(jī)“量子計算測控系統(tǒng)等一系列相關(guān)的量子器件；量子計算云平臺正式上線，至今注冊用戶已達(dá)數(shù)千人。這是國內(nèi)第一家全棧式工程化的量子計算公司，在國際上有一定影響。

量子信息技術(shù)的價值在于為人類社會提供性能優(yōu)異的量子技術(shù)和器件。當(dāng)我們在實(shí)驗(yàn)室研究中發(fā)現(xiàn)某些有望實(shí)際應(yīng)用的新原理和方法后，就應(yīng)盡快向?qū)嵱梅较蛲七M(jìn)。但是這個過程必須解決大量的技術(shù)和工程問題。這就需要大量的量子工程師，學(xué)校和研究單位只能有量子科學(xué)家的編制，建立公司卻可以大量培養(yǎng)量子工程師，兩股力量有機(jī)結(jié)合，是推進(jìn)新器件研發(fā)和應(yīng)用的最好途徑。這是我們的體會。

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Q：您今年已入耄耋之年，是什么原因讓您一直堅(jiān)守在科研一線？

A：過了八十歲，我依然堅(jiān)守在科研一線，主要原因是我內(nèi)心執(zhí)著于科學(xué)探索。奇妙的量子世界，會不斷涌現(xiàn)出令人驚嘆的新現(xiàn)象，讓你回味無窮，無法釋懷，從而更進(jìn)一步激發(fā)起你的好奇心，欲罷不能！這種探索不受年齡限制，只要精神在，探索腳步就不會停。

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Q：您認(rèn)為一名科研工作者必備的素質(zhì)有哪些？

A：作為一名科研工作者必備的素質(zhì)應(yīng)該是：對探索大自然充滿著熱情；有良好的科學(xué)精神和素養(yǎng)；有堅(jiān)韌不拔的意志，永不言敗。

13Q：您人生的信條是什么？

A：我的人生信條是：真誠待人，純真做事。
14Q：您平時有什么興趣和愛好嗎？A：興趣和愛好：讀書，聽音樂。年輕時是排球、羽毛球、保齡球和長跑?，F(xiàn)在是八段錦和散步。

趣

15Q：您對當(dāng)代年輕科研工作者有什么建議和期待？A：當(dāng)代年輕科研工作者應(yīng)當(dāng)珍惜當(dāng)前得來不易的科研環(huán)境，有追求科學(xué)研究的熱情，將個人目標(biāo)與國家需求結(jié)合起來；應(yīng)當(dāng)具有實(shí)事求是的科學(xué)精神，為人類為國家貢獻(xiàn)出人生的價值。