潘建伟:与量子纠缠的人生

量子卫星首席科学家潘建伟(2016年8月15日摄)新华社记者 金立旺 摄

新华社合肥6月27日电(记者喻菲、徐海涛)“上帝是否掷骰子”,这个困扰过爱因斯坦的量子物理核心奥秘同样让潘建伟常常凝神思索,在他眉宇间刻出两道深深的沟痕。

从潘建伟第一次认识到量子世界的诡谲离奇到沉迷其中不可自拔已过去20多年。为何会有量子叠加、量子纠缠这些奇异的现象尚无答案,他却一直致力于利用奇异的量子特性来制造不可破译的密码,发展保密通信,研制强大的量子计算机……

世界首颗量子卫星“墨子号”从太空建立了迄今最遥远的量子纠缠,证明在1200多公里的尺度上,爱因斯坦都感到匪夷所思的“遥远地点间的诡异互动”依然存在。作为量子卫星首席科学家的潘建伟还有更大的目标——在地月间建立30万公里的量子纠缠,检验量子物理的理论基础,并探索引力与时空的结构。

在很多人眼里,潘建伟是传奇:29岁,他参与的有关量子隐形传态的研究成果,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》评为“百年物理学21篇经典论文”;31岁,任中国科学技术大学教授;41岁,成为中国当时最年轻院士;45岁,获国家自然科学一等奖……

获奖无数的他,却说获奖是麻烦,易惹来非议。他是中国科学家中的明星,是媒体追逐的对象,但他不想当明星,只愿科学受到国人关注。

  缘起痴迷

潘建伟1970年3月生于浙江东阳,自小成绩优秀。父母从不限制他,由他做感兴趣的事。1987年,他考入中国科学技术大学近代物理系。他对大学生活最深的印象是,同学间比着早起晚睡学习,拼命喝茶熬夜读书。

2016年5月28日,在量子保密通信上海总控中心内,量子科学实验卫星首席科学家潘建伟院士演示实用化量子通信产品进行远距离保密通话。新华社记者 才扬摄

他的大学同学,如今是暗物质卫星科学应用系统总师的伍健回忆,潘建伟是个很有意思的人。他给潘建伟剃过头发,有点像马桶盖,但是潘并不生气。除了学习,潘建伟也很会享受生活,有次和同学跑到水库摸了一脸盆螺蛳回来,在宿舍煮着吃。

1990年潘建伟第一次接触量子力学。那时他经典力学、电动力学、统计力学都学得很好,却完全搞不明白量子力学,有次期中考试量子力学差点没及格。

“双缝实验中,人没有‘看’电子时,就不能说它是从哪条缝过去的,这实在太奇怪了,这不对啊。一个人要么在上海要么在北京,怎么会同时既在上海又在北京呢?”量子世界的奇怪与陌生让潘建伟陷入这样的苦思。

现在回看,潘建伟认为这是最好的现象,“量子力学的创始人之一玻尔说,如果学了量子力学后,你不觉得奇怪,不觉得不可思议,不犯糊涂的话,那你根本就没学懂。”

量子世界越古怪,潘建伟越想搞明白。于是,他选择与量子“纠缠”下去。

他认识到,物理学终究是门实验科学,再奇妙的理论若得不到实验检验,无异纸上谈兵。然而,上世纪90年代中国缺乏开展量子实验的条件。1996年硕士毕业后,潘建伟赴量子科研的重镇——奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位,师从量子实验研究的世界级大师塞林格。

一个理论物理专业的硕士,想要很快进入实验量子物理前沿,其中困难可想而知。为尽快掌握要领,潘建伟几乎整天泡在实验室里。

塞林格在接受新华社记者采访时说,潘建伟刚来读博士时从未做过实验,但很有实验的天赋。“我派他和一个团队去做量子隐形传态的实验,那是非常复杂的实验。他立即就接受并投入其中,对实验充满热情。过了一段时间,他就成为该项实验的领军人物。”

在老师眼里,当实验中出现问题,潘建伟从不退缩,把困难当做更上层楼的激励,大家总是听他说“情况很好”,这个非常乐观的人,总能找到解决问题的办法,大家都喜欢他。

量子卫星与阿里站建立链路。(中科院提供)

“毫无疑问,他现在是世界上这个领域最好的科学家,我非常为他骄傲。”塞林格说,“我也很鼓励他回国发展,这里有很好的机会。中国在量子通信领域已步入世界先进行列,这里有很大一部分是潘建伟努力的结果。”

  做盘“量子好菜”

潘建伟掌握了先进的量子技术后,迫切地希望中国在信息技术领域抓住这次赶超发达国家并掌握主动权的机会。

1997年起,他每年假期回到科大讲学,为中国在量子信息领域的发展提出建议,带动研究人员进入该领域。2001年,他获得中科院、国家自然科学基金委资助,在科大组建了量子物理与量子信息实验室。

量子信息研究集多学科于一体,要想突破,须拥有不同学科背景的人才。有一手好厨艺的潘建伟知道,做盘好菜,需要各种各样的好原料。

潘建伟将不同学科背景的年轻人送出国门,到德国、英国、美国、瑞士、奥地利等国学习锻炼。就这样,他的团队掌握了国际上最好的冷原子技术,最好的精密测量技术,最好的多光子纠缠操纵技术……

近年,潘建伟团队已在《自然》《科学》《物理评论快报》等国际重要学术刊物上发表论文约200篇,被广泛引用。

  科学带来内心安宁

实验中难免有让人灰心丧气的时候。但潘建伟说,做自己喜欢的事需要耐心,欲速则不达。“我愿意循序渐进地学习、工作。成功了,当然很高兴;不成功,也不觉得失落,就再来一次。关键是享受这个过程带来的乐趣。”

量子卫星首席科学家潘建伟(2016年8月15日摄,双重曝光)新华社记者 金立旺 摄

“追求量子物理的奥妙,能让人获得内心的从容和安宁,如同阳光灿烂的春天,走在青草地上般心情愉快。”他说。

潘建伟是爱因斯坦的崇拜者,大学时就喜读《爱因斯坦文集》,“爱因斯坦的散文是最深刻、最美的,对于我,那就是天籁之音。”

“研究量子物理对我的性格、思想产生了影响。在牛顿力学里面,0和1,黑或白,要么绝对正确,要么绝对错误。但量子力学告诉我们,对错、好坏是很难界定的,这时人就变得包容。”

潘建伟在繁忙工作中参加了很多科普活动,还创办了以科普为目的的墨子沙龙。他说:“建设创新型国家,必须培养公众的科学兴趣,提升公众科学素养,否则就不可能建成真正创新的国家。”

  摘取物理“皇冠上的明珠”

时光飞逝。量子世界一如既往地怪异、难以捉摸。神奇的量子纠缠能在时空中无限延展下去吗?

“至少现在理论是这样的,但也许量子纠缠会受到引力影响,它的品质会下降。而通过不断地扩展量子纠缠分发的距离,在实验上探寻量子物理和相对论的边界,我们可能对时空结构和引力开展前瞻性研究。”潘建伟说。

下一步,潘建伟希望在地月拉格朗日点上放一个纠缠光源,向地球和月球分发量子纠缠。通过对30万公里或更远距离的纠缠分发,来观测其性质变化,对相关理论给出实验检测。

“我已经47岁了,希望在60岁左右退休前,把这个实验做完。”他说。

如果这个梦想能实现,潘建伟将摘取这个领域“皇冠上的明珠”。

潘建伟认为,发展量子通信、量子计算技术是国家重大需求,自己义不容辞,而把量子世界最奇怪的问题搞清楚,是自己内心的原动力。

“量子力学为什么会这么奇怪,这个基本问题根本没有解决,我们可能还处于出发点上。对我来说,为什么会有量子纠缠,是最深层次的东西,我始终没有忘记。我把实验做下去,将来可能搞明白。”潘建伟说。

他也认为,科学理论与实用技术不应被割裂,自己愿意竭尽全力推动量子技术发展。

“用量子手段可以做很多事情,例如做原子钟、精密测量,甚至可用来做癌症的早期诊断。操纵好量子,将为人类带来巨大福祉。”潘建伟说。

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责任编辑:桂楷东
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