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《科学24小时》

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潘建伟院士心中的“量子梦”

2013-08-07 21:25:42

他们这一代人的内心深处都隐藏着一个“中国复兴梦”,每个人都在自己的位置上努力,而他选择的方式是研究量子物理……

潘建伟院士心中的“量子梦”

徐忠友

2012 8 9 日,国际权威学术期刊《自然》以封面标题的形式,发表了中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟团队的研究新成果:他们在国际上首次成功地实现了百千米量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。团队的领军人物、中国科学院迄今最年轻的院士潘建伟兴奋地说:“由于自由空间信道的损耗小,借助卫星将有可能实现在全球尺度上进行超远距离量子通信的梦想。”这个“量子梦”已在他心中做了十多年。如今,这个梦想在潘建伟和其他团队成员的努力下,正一步步变为现实。

潘建伟院士圆梦的过程,也是他成长的历程。

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一个爱做梦的孩子

1970 3 月,潘建伟出生在浙江省金华市的东阳市马宅镇雅坑村一个乡村教师家庭。潘建伟的父亲叫潘孟迪,18 岁就去参加了抗美援朝战争,退伍后回到东阳老家。他心里一直觉得自己没有在国家建设中发挥重要的作用,所以他把自己心中的梦想寄托在了儿子的身上,儿子“建伟”这个名字,就寄寓着“建设伟大国家”的夙愿。

儿时的潘建伟是个贪玩的孩子。他曾对别人说:“父母从小就很重视对我能力的培养,从不限制我做什么,我可以做任何自己感兴趣的事情。所以如果我今天取得了一些成绩,那要感谢孩提时代父母对我的‘无为而治’。在我能够自然健康成长的基因里,一是得益于我父亲的‘随意’;二是得益于我母亲的‘好胜’。是父母‘随意’和‘好胜’的有机结合,才形成了我后来这样的秉性。”

潘建伟曾在雅坑村小学就读。他的同窗好友张永平回忆道:“潘建伟的脑子特聪明,做事情总有自己的想法。记得那时我们在学校里种了一株剑麻,夏天的时候为了给剑麻补充水分,别的同学就采用每天人工浇水的寻常方法,而潘建伟却与众不同:他找了个可乐瓶子钻了个很小的洞,然后装满水倒挂在剑麻上方的一根树枝上,让它像病人挂盐水那样给剑麻滴水,一个星期往可乐瓶子里灌一次水就行了。在我们的精心照料下,那株剑麻长得比别的同学种的剑麻要高。这也许就是未来科学家的与众不同之处吧。”

虽然儿时的潘建伟不是老师眼中的乖学生,但学习成绩一直很好,他是属于那种既顽皮学习成绩又好的学生。后来,潘孟迪夫妇因工作调动把家搬到了东阳县城吴宁镇上,潘建伟也随之进入吴宁镇初级中学读书。潘建伟上初中后,才发现农村小学的教学条件和水平与城里学校相比差距实在太大了,如英语课程压根就没有学过。上初中后他才第一次写作文,结果老师只给了40 分。当时他还是班长,心里觉得很羞愧。有一天晚上他做了一个梦,梦见自己的英语成绩居然考了个“A”。从小他身上就有一种不怕输的精神,第二天早上起来,他就在想如何将自己的梦想变成现实。为把英语学好,他把同学约到家里来学,并虚心向老师请教,甚至利用往返学校路上的时间背单词。经过几年的努力,他的英语成绩真的考了个“A”。与此同时,他的语文成绩进步也非常快,学科成绩经常是全班甚至全校第一。

一个有理想的学生

潘建伟上初中时的一个理想就是考取浙江名校———东阳中学,因为东阳中学曾出了严济慈、李正武、王伏雄等科学大家。为了实现这个理想,他经常在周末的时候跑到东阳中学校园感受那里的学习氛围,以增加自己学习的动力。1984 年,他终于以优异的成绩考入东阳中学,并担任班里的学习委员。他高中时的班主任贾天法老师评价道:“潘建伟在东阳中学学习期间爱读书,喜欢钻研学习难题,但绝对不是‘书呆子’。他平时十分活泼好动,且‘鬼点子’很多,经常策划一些活动并和同学们一起去实施。1987 年高考刚结束,他就策划了一次旅游活动,带着8 名同学骑自行车从东阳出发到温州雁荡山游玩,历时3 天时间。当时,他们每个人口袋里只有十几元钱,仅够吃面条买门票,但住宿费却无从着落。他灵机一动,就在晚上和当地学校取得联系,请求帮助解决两个晚上的住宿困难,结果那两个晚上都借住在乐清一个初中的教室里……”

读高三年级时,在老师韦国清的指点下,潘建伟又有了一个明确的奋斗目标,那就是要考入中国科学技术大学物理专业。1987 年,他参加高考前夕,学校原想保送他就读浙江大学或西安交通大学,但他都放弃了,而是作为中国科学技术大学的一名推荐生参加高考,结果如愿地以当地“高考状元”的成绩考入中国科学技术大学近代物理系。

潘建伟之所以执意要报考中国科技大学,除了他心中有从事科研的梦想外,还有个因素就是这座中国科技的高等学府里有一位他心中的偶像严济慈老先生。严老是东阳人的骄傲,潘建伟受严老严谨治学的影响很深。

严济慈老先生已经于前些年去世了,但潘建伟至今还铭记着他有幸与严老先生的三次见面:最早一次是他在东阳中学读高二时,严老受邀出席该校的校庆活动,潘建伟和一些优秀学生代表参加了与严老的座谈,严老听了同学们的发言后,亲切鼓励学生们要为祖国而勤奋学习。在那个时候,上中国科技大学读书就已成了潘建伟心中的又一个理想了。第二次和第三次都是在中国科技大学读书时。其中一次是在中国科技大学东阳中学校友会上,那次他不仅参加了和严老的座谈会,而且在随后的合影时就站在严老的背后。严老也对他这位在中国科技大学就读的东阳老乡十分关爱,这令他感受到有一种无穷的力量在身上涌动。

在中国科技大学45 周年校庆时,学校专门建造了一座“思源碑”。碑顶为一块天然灵璧石,形如“1”字,寓示着对世界一流大学的追求;底座为正五边形,并坐落在正八边形的平台上,隐喻中国科技大学1958 年诞生,表达莘莘学子和校友甘当中国科技大学乃至中国发展的基石。对此潘建伟深有感触,他说:“老校长严济慈为学校题写的‘创寰宇学府,育天下英才’,应该是我们全体师生为之奋斗的座右铭。”

榜样的力量是无穷的,在中国科技大学读书期间,潘建伟始终以严济慈老校长为楷模,从严治学。当时班上从各省市来的“高考状元”就有7 个,这个群体中的同学各方面素质都很高。身处其中,既有竞争又能取长补短。他抱着一种积极主动的学习态度,学到了很多新知识,而且不仅在文化课方面有新突破,还对以前不太认真对待的音乐课也产生了浓厚的兴趣,这对他人生的全面发展产生了重要的作用。

由于潘建伟善于虚心向老师和同学们求教,又善于从书本中汲取知识的营养,并积极开展科学实验,同时保持着良好的心态,循序渐进地学习、工作,所以能屡屡取得优异的成绩,并不断实现自己的奋斗目标。1995 年,他继获得中国科技大学学士学位后,又获得该校理论物理硕士学位。在这期间,他遇到了一位好老师张永德。张老师不但在日常的教学中,让他的特长能够得到充分的施展,而且还在他去奥地利深造时为他选定了博士生导师塞林格。张老师认为导师塞林格与他喜欢自由自在的性格比较对路,这为他后来的科研奠定了基础、找对了方向。

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一个有目标的科学家

除了严济慈,潘建伟崇拜的另一个人是爱因斯坦。这位“相对论”的提出者,为后人的现代物理学研究指明了一个目标,潘建伟就是这个目标的追随者。

1996 , 潘建伟前往奥地利维也纳大学攻读博士学位,他的导师是量子力学的世界级大师塞林格。他在老师那里不断地获取量子信息前沿领域的最新知识的同时,还敏锐地洞察到量子信息这一学科未来的发展前景。

那时候,导师塞林格正在组织一个几百万欧元的欧盟项目,这是量子信息实验研究方面的第一个国际合作项目。此前,量子信息一直处在理论研究阶段,还没有得到实验支持。

在塞林格的实验室里,最初潘建伟由于没有在世界级实验室做实验的经历,他先用了两周的时间与一位本科生做了一个关于光的干涉的实验;接着,他又与一位女生做了一个相对简单的实验,凭着这些经历,他才摸索到世界级实验室的工作节奏。随后,被探究精神燃烧着的他大胆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科研和人生的命运。

1997 年,一篇题为《实验量子隐形传态》的研究论文在《自然》杂志上发表,该成果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》杂志评选为“百年物理学21 篇经典论文”。潘建伟是这篇论文的第二作者,发表实验数据的测量和处理工作主要是由他完成的。潘建伟迅速登上了一个展示科研才华的国际平台。随着一系列实验成果论文的发表,他开始跻身量子物理研究的顶尖科学家行列。

1999 年,潘建伟又获得奥地利维也纳大学实验物理博士学位,并留在塞林格组从事博士后研究,先后任博士后和高级研究员。他虽然身在国外,但心里时常想起父母的嘱托以及奶奶临终前希望他早日学成归来报效祖国的遗愿。

2001 年,潘建伟谢绝了导师的一再热情挽留,毅然回到中国科技大学工作,相继担任了母校的教授和博士生导师。当时世界量子信息研究发展很快,但无论是研究水平还是人才储备方面,国内的基础都很薄弱。潘建伟认识到必须与国际上的先进小组保持密切联系,虚心向他们学习,才能更快地前进。如果等到别人绝尘而去,你再去追,就来不及了。在这种思路的引导下,潘建伟在与他的同学杨涛一道组织科研队伍、开展实验室建设的同时,还继续与维也纳大学的科研人员开展多光子纠缠方面的合作研究。

2003 年是潘建伟的丰收年。这一年,他领导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。这一年,他领导的国内研究组作为第一单位发表在《物理评论快报》上的论文就有7 篇。这一年,奥地利科学院颁发给他Erich Schmid 奖,此奖为奥地利科学院授予40 岁以下的青年物理学家的最高奖,这个奖项两年评一次,每次仅一人能获此殊荣。这一年,潘建伟研究组在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输,《自然》杂志发表了这一成果并评价道:“这种新颖的量子态隐形传输,是量子纠错和分布式量子信息处理所需要的关键技术。”这一成果同时入选欧洲物理学会和美国物理学会评选出的年度国际物理学重大进展,这是中国科学家的第一次。这一切表明国内研究组在量子纠缠方面的工作,已跃居国际领先水平。

随后,潘建伟以玛丽·居里讲席教授的身份到德国海德堡大学从事量子存储的合作研究。因为要实现高效、长距离的量子通信,必须发展量子存储和量子中继技术,而冷原子系统是实现量子存储的理想系统。海德堡大学的冷原子研究处于国际领先地位,潘建伟必须把他们的看家本领学到手。2005 6 月,他以杰出贡献荣获欧洲物理学会2005 年度菲涅尔奖(该奖授予在量子电子学和量子光学领域做出杰出贡献的青年科学家)。2006 年,他和他的团队首次实现了两光子复合系统量子隐形传态。

经过几年的拼搏,潘建伟团队在冷原子量子存储方面形成了丰富的人才和技术积累,取得了一系列国际领先的研究成果。2008 年,英国《自然》杂志再次发表潘建伟团队的重要研究成果:他们利用量子存储技术在国际上首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换,完美地实现了长程量子通信中急需的“量子中继器”。这年10 月,潘建伟和他在德国的团队整体回归中国科大。4 年后,潘建伟团队在2012 10 月成为国际上首次把安全量子通信距离突破到超过百千米量级的三个团队之一,及国际上安全的实用化量子通信网络实验研究的两个团队之一,也是国内唯一领衔开展星地量子通信实验研究的科研团队。在光量子纠缠操纵和量子通信方面,他们最终都抢到了领跑的位置,可以在国内开展国际领先的研究工作了。潘建伟和其他量子物理学家一起,为人类一点点开启了量子世界的窗户。

2008 11 月,他当选为发展中国家科学院的通讯院士。2011 12 9 日,41 岁的潘建伟当选中国科学院院士,成为目前我国“两院”院士中最年轻的一位。2012 9 月,他又成为发展中国家科学院院士。全社会惊叹于他如此年轻就取得了如此成就,潘建伟却已在慨叹生命短暂。他说:“我真想活得长一点,搞清楚量子力学到底是怎么回事。”

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相关链接

潘建伟及其科研团队创造的七个世界第一

19971998 年,首次成功实现量子态隐形传送(1997)以及纠缠态交换(1998)。

19992001 年,首次成功实现三光子(1999)、四光子纠缠态(2001),并利用多粒子纠缠态首次成功地实现了GHZ 定理的实验验证(2000)。

2003 年,首次成功实现自由量子态的隐形传送。

2003 年,首次实现纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验。

2004 年,首次取得五粒子纠缠态的制备与操纵。

2006 年,首次实现两粒子复合系统量子态隐形传输,并在实验中第一次成功地实现了对六光子纠缠态的操纵。

2012 年,首次成功实现百千米量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发,为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。





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