潘建伟:量子人生

来源:九三学社中央宣传部    时间:2014-12-07

“九三楷模”潘建伟用实验证实了被爱因斯坦称为“遥远地点间幽灵般相互作用”的量子纠缠,解开了微观粒子蕴含的诡秘和矛盾,把它们送进我们的生活。他和其他量子物理学家一起,为人类一点点开启了量子世界之窗。凝聚在爱国民主科学的旗帜下,他更觉骄傲和自豪。

【潘建伟,1970年3月生于浙江省东阳市,1992年毕业于中国科学技术大学近代物理系, 1999年获奥地利维也纳大学实验物理博士学位。现任中国科学技术大学教授,中科院量子科学实验卫星先导专项首席科学家,教育部量子信息与量子科技前沿协同创新中心主任,中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心主任。2011年当选中国科学院院士。2012年当选发展中国家科学院院士。2014年11月,作为项目首席科学家,44岁的他宣布“京沪干线”量子保密通信工程和“量子科学实验卫星”工程进展顺利,中国将在2030年率先建成全球化量子通信卫星网络。】

刚进中国科大的潘建伟被一本书吸引住了,商务印书馆出版,暗绿色的横竖条纹封面,像是一道道光栅。这本书就是《爱因斯坦文集》。

“在我们身外有一个巨大的世界,他离开我们人类而独立存在,他在我们面前是一个永恒的谜。对这个世界的凝视深思,就像得到解放一样吸引着我们。通向这个天堂的道路,并不像通向宗教天堂那样舒坦和诱人,但是他已经证明是可以信赖的,我从来没有因为选择了这条道路而后悔过。”——爱因斯坦如是说。

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,为我们留住了一位卓越的物理学家。

为人类开启量子世界之窗

“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兴趣,于是探究量子世界的各种奇妙现象便成了我终生的奋斗目标。”

潘建伟现在还记得第一次读到爱因斯坦自序时的感受,那是一种天籁之音。潘建伟在家乡小山上凝视天穹时那些隐隐约约的冥想,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。在潘建伟心中,对世界的探究成为保持精神自由的工具,成为摆脱精神桎梏的飞行器。

1970年3月出生在浙江东阳的潘建伟,从小却是个爱玩的孩子。父母从小就很重视能力培养,从不限制他做什么,他可以做自己感兴趣的事。

潘建伟至今感谢父母把家搬到了县城,因为到了初中,才发现在农村小学语文基础很差,英语根本就没有学过,初中后才第一次写作文,结果班主任老师只给了40分,当时他是班长,觉得很羞愧。但他有一种不怕输的精神,为了把英语学好,把同学约到家里来学,向老师请教,进步非常快。语文、英语就在那时打下了基础。

1987年,17岁的潘建伟考入中科大近代物理系。从第一次接触到量子力学,他就迷上了这门科学。

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、将来不会变。”

在科大理论物理专业读研时,潘建伟的导师对他说,既然很多量子理论马上突破很困难,那就不妨先做实验。老师的话,如同峭壁上一个脚掌大小的凸起,让潘建伟有了攀登的支点。从那以后,实验成为潘建伟生命中的一部分。

  当时国内在量子领域与国际先进水平相比还比较落后。潘建伟在硕士毕业后选择出国留学,“理由很简单,出国就是为了回来,利用所学为国服务。”

在准备攻读博士学位的时候,潘建伟得到老师鼎力支持,为他推荐了几个在量子物理实验研究领域领先的大学,还有数位导师。潘建伟选择了在奥地利维也纳大学的塞林格教授门下攻读博士学位。他的理由是“我当时发现塞林格教授在学术上非常活跃”。事实证明,潘建伟对导师的选择是他事业中最成功的一次选择。很多人都有跃起摘下苹果的能力,关键是你是否站在有苹果的树枝下。塞林格把潘建伟引到了一个有很多苹果的树枝下。

终于有一天,他有了自己的量子隐形传输的实验设想,随后,被探究精神燃烧着的潘建伟向导师提出加入到量子隐形传输的实验组中,导师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。

1999年,潘建伟作为第二作者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。1999年该工作同伦琴发现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,潘建伟29岁。 

量子纠缠,被爱因斯坦称为“遥远地点间幽灵般的相互作用”,现在科学家用真实的实验证实了爱因斯坦的想象。为了认识和促进光子之间纠缠状态,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10年。

科学家对量子纠缠概念做了如下的描述:量子纠缠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———这个目前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。

更值得关注的是随后10年。2003年,潘建伟所在的实验室实现了自由传播光子的隐形传态,使得量子隐形传态能应用在更加广泛的量子通信和量子计算中;2004年,在首次实现五光子纠缠的基础上,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,为人类一点点开启量子世界之窗。

也许人们会问,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的时候,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描摹的是人类的未来世界。量子态隐形传输和纠缠交换的研究是为将来新一代量子通信打基础。而未来的量子通信,在原理上完全保密,不能被窃听,在国防上会有非常重要的应用。此外,通过对纠缠态的研究,可以为将来高速度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。

让国内量子研究达一流水平

2009年初,在完成了冷原子方面的技术和人才积累后,潘建伟把在海德堡大学的实验室整体搬回到中国科大,还以中组部“青年千人计划”、中科院“百人计划”等方式,将一批优秀青年学术骨干从欧洲引进中国科大。“搬家的清单足足列了120页,大到激光器,小到12毫米镜片,全部搬回来了。”

2001年,潘建伟作为“中科院引进国外杰出人才”,同时获得中科院基础局和人教局支持,开始在科大组建实验室,这个实验室以一批年轻教师和学生为班底,研究工作几乎从零开始。2004年,实验室进入中国科大合肥微尺度物质科学国家实验室,成为量子物理与量子信息研究部。此后,在中科院、基金委、科技部的大力支持下,研究部得到快速发展。

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。”多年的国外顶尖实验室经验,让他知道,以自己独到的地方与国外实验室形成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Yoshihisa Yamamoto实验室、瑞士维也纳大学的Nicolas Gisin实验室、英国剑桥大学卡文迪许实验室的Mete Atatüre实验室、德国马普量子光学研究所的Immanuel Bloch实验室、奥地利因斯布鲁克大学的Peter Zoller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,10年来,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充分体现。2010-2011年度,他们就在Nature和Nature子刊上发表了6篇国际领先水平的重要论文。

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。

他们的艰辛攻关得到了“回报”。团队成果1次入选英国《自然》杂志评选的年度十大科技亮点、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,由一个不起眼的国家发展成为现在的世界劲旅,将领先于欧洲和北美……”

2013年,中科院联合相关部门启动了千公里光纤量子通信骨干网工程“京沪干线”项目,建设连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络。2016年即可以实现京沪广域量子保密通信。潘建伟是该项目首席科学家。

此外,潘建伟团队实施中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”,将实现高速星地量子通信并连接地面的城域量子通信网络,初步构建中国的广域量子通信体系。

展望漫漫量子研究之路,潘建伟预测,卫星项目到2020年将实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发,到2030年左右,中国将率先建成全球化广域量子通信网络。

实现美好的中国梦

潘建伟至今清晰地记得,第一次见到塞林格教授时,他问潘建伟的第一个问题是:你的梦想是什么?潘建伟的回答是:在中国建一个世界一流的量子物理实验室。此后,潘建伟一直为实现这个梦想而不断地努力着。

“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。

2005年,潘建伟实现自己的夙愿,光荣地成为九三学社大家庭中的一员。9年来,他与众多优秀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,深刻地体会到知识分子对国家发展的重要作用和责任。

九三学社无数先贤的崇高风范给潘建伟留下深刻印象。他特别记得上学期间看到的严济慈先师家书的一个情景:信中不断出现的是某某老师寄来大洋若干。当时正是这些老师的资助,才使严济慈得以完成留学学业。严老回国后准备偿还老师们的资助,老师们说,人回来了就好,钱不必还。这些先贤们传达的正是一种中国的君子之风。

君子之风是科学的土壤,只有摒弃浮华才可领略到科学之美。他在因斯布鲁克的大峡谷露营时遇到一位80老妪,她问潘建伟的职业。潘建伟说,研究量子物理和量子隐形传态。“哦,我知道那个工作,还找到了Nature杂志上的那篇文章。但是我看不懂。不过我尽力了!” 还有一次,潘建伟在海德堡大学的时候,因为鼻腔手术而住院。一个护士过来问:“你是不是研究量子物理的潘?你能给我讲讲什么是量子物理吗?”鼻子里插着管子的潘建伟很感动,但说不了话。出院后,潘建伟给护士寄去了一份相关的科普材料。

凝聚在爱国民主科学的旗帜下,潘建伟更觉得骄傲:“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,是作为一个科研工作者最为幸福的感受,这与九三学社的优良传统高度契合。”

在一个安静的环境里,荡涤浮躁,人们充满对科学的尊敬,思想没有桎梏,以鲜活的教育方式倡导文化精神,这是潘建伟的心灵家园。(戴红/文)