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潘建伟和他的量子梦之队

发布时间:2019-03-29 13:10 来源: 作者:
“爱因斯坦一定会对此感到惊讶”
潘建伟和他的量子梦之队
在1992年的本科毕业论文中,绰号“阿尔伯特”的中科大近代物理系学生潘建伟,选择站在“偶像”爱因斯坦一边,集中研究、总结了量子世界的各种佯谬。此后25年穷极探索,从一张桌子的距离,到千公里级的“星地穿越”,他所有的实验数据证明 :爱因斯坦是错的。
他培养出数位“操纵光子的巫师”,从三光子到十光子,一路保持世界领先,将“量子纠缠”进行到底;他将“量子隐形传态”从科幻世界带进现实,实现距离和维度的多次跨越。
正是借助这些基础特性,量子保密通信正在中国率先从梦想王国迈入产业化轨道;量子计算机和量子精密测量的基础研究,也日益成为大国“必争之地”。至少15年以上的长远目光,令潘建伟团队在中国的这些前沿应用领域,牢牢占据主角的位置。
如今他执掌着上亿元科研经费,同时是国家领导人和商业巨头频繁的座上宾。他没有辜负20年前的自己——在奥地利,博士导师、量子实验物理权威塞林格问:“你的梦想是什么?”当年28岁的潘建伟壮志满怀地回答:“在中国建一个世界一流的量子物理实验室。”
潘建伟和他的量子梦之队
2017年6月16日,安徽合肥,潘建伟与“墨子号”量子卫星模型合影
中国量子信息领域登上国际顶级期刊的论文,近2/3从这里产生,累计过百篇;其中,2012年受邀为“物理学圣经”《现代物理评论》撰写的长篇综述论文,无可争议地奠定其在多光子纠缠和干涉领域的国际领军地位;2016年“墨子号”量子卫星发射,随后量子密钥分发、量子隐形传态、量子纠缠分发在1200-1400公里的尺度上实现,更是吸引国际科学界瞩目……“潘之队”享誉海外。
奖项纷至沓来。2017年12月18日,国际顶尖学术期刊《Nature》(《自然》)发布年度十大人物,中科大教授潘建伟上榜;不到一个月,2018年1月10日,潘建伟又在第48届量子电子物理学大会上,获颁兰姆奖(Willis E. Lamb Award),以表彰他在光量子信息前沿研究领域的开创性实验贡献。
然而近两年,潘建伟愈发意识到时间的飞速流逝,因为仅仅“世界一流”还不够,他的目标是“百年老店”。年近半百,放在中科院院士里,是绝对的年轻派,他却俨然背着一副“思想重担”。
“百年老店首先要有一种传统。如果就靠一个人,可能他在的时候做得比较好,慢慢他年纪大了,可能队伍就萎缩了。”潘建伟时不时催促团队里的年轻人,赶紧开辟新方向,独立开展工作,而不是由他继续主导新方向的讨论和选定。
“光量子信息处理是我的老本行,尽管我现在亲自到实验室做实验比较少,但是再怎么做我都知道是在我的那个shadow(阴影)之下。要是他们在新的方向上做出新的工作,在国际上达到我们在光量子信息处理领域的学术地位,才能够算是真正的成功。”说这话时,潘建伟又习惯性地蹙紧了眉头。
就像一片森林,每一棵树都独立生长,又根脉相接。“形成研究传统很重要,这样目标可以放得更长远,几十年如一日一直往前走,一代代传下去,就比较从容、持久,不会太浮躁。”潘建伟说。
“朝圣”之路
2016年1月8日,人民大会堂。潘建伟接过半个上身大的红皮证书——“最具含金量”的国家自然科学奖一等奖,颁给“多光子纠缠和干涉度量学”。41岁成为“最年轻中科院院士”的他,以45岁之龄,领衔中科大微尺度物质科学国家实验室五人团队,刷新中国自然科学领域最高奖的“最年轻获奖者”纪录。
彭承志、陈增兵和他一样是“70后”。位列项目第三、第四完成人的陈宇翱、陆朝阳则是“80后”,两人都曾是潘建伟在中科大带的研究生,获奖当年分别是34岁和33岁,五年前便入选首批“青年千人计划”,成为教授。师徒三人先后于2005、2013、2017年斩获欧洲物理学会菲涅尔奖。该奖每两年颁一次,作为量子电子学和量子光学领域青年科学家的最高荣誉,专门奖励35岁以下的佼佼者。
量子具有叠加状态,纠缠现象是它的基本特性,即使相距遥远,一个粒子的行为也会影响另一个的状态。通过量子纠缠,无需传输载体,就可实现量子远距离隐形传态。
自诞生以来,量子力学素有“男孩物理学”的戏称。爱因斯坦1905年提出光量子假说,26岁;玻尔1913年提出原子结构理论,28岁;海森堡1925年创立矩阵力学,1927年提出测不准原理,是24岁到26岁。量子力学奠基人之一波恩在哥廷根的理论班,被人叫作“波恩幼儿园”。
获奖两天后,“潘之队”五人排排坐,在中科大上海研究院会议室,接受媒体集体采访。回忆这一幕,陆朝阳笑说,“有几个记者非要采访,问了一堆问题,我们坐成一排都不说话,看着潘老师,有他在我们就可以偷懒一点。”
就在这次对话中,潘建伟第一次提出,要把实验室开成“百年老店”——就像科学史上如雷贯耳的德国马普所、英国卡文迪许实验室。陈宇翱和陆朝阳正是被推荐到这两个实验室培养,然后归国。
现在,几乎所有世界顶尖实验室,都向潘建伟团队敞开国际交流的大门;一位正在潘建伟团队交流的中山大学博士生则告诉我,来到这里,对他而言就如同“朝圣”。知乎上,中科大的学生留言,潘建伟实验室所招本科生要求之高难望项背,附和者众。
研究院办公楼底楼大厅,有两面石灰岩装饰墙,爱因斯坦的画像就挂在“科圣”墨子和“量子理论之父”普朗克之后。转角,玻尔和薛定谔、费曼、沈括、张衡等人排成一列。一条纬线,数条经线,分割整个墙面,每个画框的三条边与这些线条严丝合缝。
潘建伟和他的量子梦之队
“墨子号”量子卫星纠缠源分系统主任设计师印娟,主要负责1200公里超远距离量子纠缠分发,在2017年6月登上《Science》封面
毋庸置疑,这都是潘建伟的手笔。“潘老师就是做事追求极致的这么一个人,”陆朝阳说。到什么地步?走进别人的办公室,他一眼看到墙壁开裂了,“哎?!赶紧叫人来修一下”;在下水道看到一个瓶子,也会向分管基建的副院长“打小报告”。
“名人堂”一旁的两块立柱,上上下下挂着好几块牌子:“量子信息与量子科技前沿协同创新中心”(教育部“2011计划”)、“量子信息与量子科技创新研究院”、“量子保密通信‘京沪干线’上海运控中心”、“量子科学卫星实验中心”、“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”。
“墨子”是这一方天地的“守护神”。不仅仅是量子卫星“墨子号”和“墨子沙龙”,中心以他命名的还有杰出博士后奖(Micius Research Fellow),早前邀请国际知名学者做学术交流和访问的项目也被称为“墨子讲坛”(Micius Colloquium)。
“战国时期圣人太多,有些圣人通过思考就可以达到人生的追求,知道世界是怎么样的。孟子批评墨子,中国文化慢慢走向儒家,更加和哲学联系在一起,科学本身在中国没有得到很好的发展。”在一场“墨子沙龙”报告中,潘建伟主动阐释以“墨子”命名论坛的原因:“中国古代就有伟大科学家,提出的东西上千年后才被西方世界重新发现。”
此间的少年
距今二十多年前,27岁的潘建伟负笈千里外的奥地利小城因斯布鲁克,与导师塞林格共同在国际上首次实现单光子自旋态的量子隐形传输,这成为量子信息实验领域的开山之作。
理论物理出身的他,在选择导师时独具慧眼,从零起步转向实验物理。很多年后,他所在的这个学科已经走出三个诺贝尔奖和五个沃尔夫奖获得者,沃尔夫奖历来被视为诺贝尔奖的风向标。在这里,潘建伟很快展现出实验天赋,独立想出了量子隐形传态的理论方案。
潘建伟和他的量子梦之队
2016年11月28日,在河北兴隆观测站,“墨子号”量子科学实验卫星过境,科研人员在做实验。图为合成照片,红色为地面站信标光,绿色为卫星信标光
当他兴奋地向导师和同事讲述这一想法后,他才知道闹了笑话,限于当时国内较为闭塞的文献获取渠道,他竟然不知道这是Bennett等人已经提出的方案,而塞林格的实验室正在做这个实验,于是他顺势参与其中。
1998年寒假前夕,潘建伟回到母校东阳中学做科普报告,介绍国际最新的量子物理实验结果,陆朝阳就是坐在台下的高一学生。2000年陆朝阳考入中科大物理系,大三时再次听到潘建伟的报告,课本上“有点诡异”的量子理论,由他娓娓道来,听上去那么“质朴、真实”。一次畅谈,让陆朝阳决定转投潘建伟门下,放弃保研“感觉比较赚钱的”微电子专业。
潘建伟和他的量子梦之队
2017年欧洲物理学会菲涅尔奖得主、中科大教授陆朝阳在实验室中。今年5月,国际上首台电子管和晶体管计算机的量子模拟原型机在这里诞生
“潘老师一直给我们消除‘差不多就行了’这类心态。”陆朝阳说,“他鼓励学生,花10倍的时间做一件重要的事,比一倍时间做10件不重要的事情要好得多。”2015年,他们打破国际权威学者的“不可能”预言,实现了单光子多自由度的量子隐形传态,作为中国本土完成的科学成果首次入选英国物理学会评选的国际物理学十大年度突破且位居榜首。这距离塞林格实验室的“单自由度”实验,已经过去18年。次年,陆朝阳入选《自然》十大“中国科学之星”,塞林格评价他为“操纵光子的巫师”。
六光子纠缠是陆朝阳加入潘建伟实验组的第一次“大考”。当时还是硕士研究生一年级新生的他,对潘建伟的要求严格深有体会。“纠缠有几个标准,最严格的纠缠和次严格的需要的数据品质和积累的数据量可能相差10倍。”他现在也会这样教育自己所带的学生,“对自己严格要求是潘老师的一贯作风。每次我们向基金委、科技部交账时达到的指标,都会比我们申请时还要好数倍,特别是量子科学卫星最终达到的指标,更是比任务书好了接近10倍,正是因为这样十多年来才慢慢建立我们的信誉。”
和挂在嘴边的“我潘”一样,陆朝阳也常受邀参加各类会议和科学论坛。在展示给同行的报告PPT中,他会随性地加上“我的内心是崩溃的”、“机智的我早已看穿这一切”这类表情包;面对公众科普时,开场便“耿直”地引用玻尔的话:“如果谁不对量子物理感到困惑,他就肯定没有理解它。”
科普内容大多重复,会不会觉得乏味?陆朝阳欣然承认之余,淡淡地说,“我们还是要经常做,也许无意中就影响了一个少年的一生。”
天才的责任
“在科大,给人压力最大的并不是你知道有人比你优秀,而是你每天都要和他们在一起;也不是说你觉得比你优秀的人比你更努力,而是你发现其实他们不太努力的时候还是比你优秀。”这是一位中科大校友在毕业典礼上讲的。提起师兄陈宇翱,陆朝阳引用了这句话,且脱口就是“天才”。
在陆朝阳第一次见到潘建伟的同年,启东中学高三学生陈宇翱在冰岛举行的第29届国际中学生物理奥赛中,获实验第一、总分第一,填补了中国学生从未在国际物理奥赛中取得过实验第一的空白,并被授予“绝对冠军”称号。他进入中科大参照少年班模式的“零零班”,周转了几个研究方向才与潘建伟结缘。
2013年陈宇翱获得菲涅尔奖时,第一时间告诉潘老师,“感觉他比我还要高兴”,在电话中连连道贺,祝愿其“再攀高峰”。潘建伟甚至叮嘱过记者,“我希望媒体不要太早关注他,让他可以潜心学术,获得更大的发展。”
作为“潘之队”最早的成员之一,陈宇翱在潘建伟指导下和同事们担当起五光子纠缠实验平台搭建的重任。2004年,五光子纠缠的实现,不仅登上《自然》,还同时征服欧洲和美国物理学会年度事件评选,一举奠定中国在多光子纠缠操纵方面的领先地位,直接改变了国内对量子信息领域的重视和投入程度。
自2001年建组以来,量子光学一直是“潘之队”的传统优势领域。他们先后四次打破自己保持的多光子纠缠纪录,始终比国际上许多组都领先至少两年。然而,即便在做得最好的时候,潘建伟也常怀忧虑,目光早已望向5年、10年乃至15年后。
2003年到2008年间,中科大同意潘建伟的特殊“申请”——赴德国海德堡大学学习量子存储技术。在他的布局下,一批学生陆续被推荐到国外各顶尖实验室:陈宇翱到德国慕尼黑研究超冷原子调控技术,陆朝阳到英国剑桥研究量子点光源技术,张强到斯坦福学习单光子探测技术……光量子和超冷原子,正是潘建伟当时选定的量子模拟两大重要方向之一,此后为了赶超美国具有先发优势的超导量子计算方向,站在国家布局高度,他又找到中科院物理所和浙江大学联合开发该方向项目。
今年32岁的徐飞虎,是潘建伟团队最新引进的“青年千人”,他在麻省理工学院博后时期所做的单光子成像研究,是量子精密测量领域近三四年才起步的前沿技术,这正是潘建伟看中的。“潘老师团队的量子通信实验室在国际上是最好的,没有之一。平台可以互补、技术共享,这是最吸引我的。”正式加盟前,潘建伟与他聊了数次,从国家需求战略角度出发,5年的目标、10年的目标一一描画,期望便是成为该领域国际一流的研究组。
“当时,如果我在国外仅掌握一项技术,我觉得回国可能什么都干不成。我说咱们做一个约定,大家把几个技术全学会,然后在适当的时候一起回来,一起合起来做一点别人、别的团队做不了的事情。”就在去年“未来科学大奖”的颁奖现场,潘建伟在领奖致辞中,还特别感谢了这几位在座的同事。
陈宇翱至今保存着2009年国庆前夕的一条短信。“宇翱,我正在人民大会堂看《复兴之路》,感触良多!甚望你能努力学习提升自己,早日学成归国为民族复兴、科大复兴尽力!建伟。”收到短信时,他正在德国实验室做实验,一时真有扔下手里的活回国的冲动。
类似的短信,团队核心成员都收到了,也都照办了。“以前觉得民族复兴是很高大上的词,但那一刻,觉得我们做的事是可以和这个事业直接联系起来的,不是旁观者,而是参与者。”陆朝阳说。
当他们一个个回到中科大上海研究院办公楼,迎面就是大厅墙上铭刻的著名物理学家、中科大近代物理系首任系主任赵忠尧生前的一段话:“回想自己一生,经历过许多坎坷,唯一希望的就是祖国繁荣昌盛、科学发达,我们已经尽了自己的力量,但国家尚未摆脱贫困与落后,尚需当今与后世无私的有为青年再接再厉,继续努力。”
如梦之梦
“Dream like a poet, think as a physicist, work as an engineer.”量子光学实验室里贴着的这幅标语,仿佛为“墨子号”量子卫星项目度身而作。
潘建伟和他的量子梦之队
陈宇翱
早在2002年,实验室刚组建不久,潘建伟就有了量子卫星的宏伟设想。当时连部分团队成员也不敢相信,网上多的是“天方夜谭”、“骗局”的质疑。
星地之间大部分路程接近真空,光子的损耗率要比在地面光纤中小得多,理论上将是构建实用化全球量子保密通信网络最可行的方案。但潘建伟自己在接受外媒采访时也曾吐露过难处:“我们有时候想,也许我们的项目将会崩溃,从不工作。卫星飞得那么快(每秒8公里),并会遇到大气湍流等问题——如此的单光子光束会受到严重影响。此外,我们必须克服来自太阳光、月球和城市光的噪声,这是比我们的单光子强得多的背景噪音。”
量子卫星纠缠源系统主任设计师印娟从大二就加入团队,一直在自由空间量子通信小组,她还记得2007年博士毕业时接受采访,说到自己的梦想是把“纠缠源”放到天上去做实验,根本不敢想象只过了10年就把事做成了。
量子卫星能够成功立项,全靠一步步“自我证明”:2005年,合肥大蜀山实现13公里的量子纠缠分发;2008年,北京八达岭实现16公里量子隐形传态;2011年,青海湖实现了首个超过100公里的量子纠缠分发。至此,全方位卫星技术论证完毕,当年年底,中科院空间科学先导专项将“量子科学实验卫星”正式立项。
“做完100公里,心里就基本踏实了,在这样的水平下,我们已经有一点工程余量抓在手里了,剩下就是卫星研制成功率的事情了。”印娟说。然而刚开始与工程师的合作充满碰撞,两者的思维合不到一块,“工程是保险零失误,而我们又有非常多创新、关键技术攻关。”在印娟的争取下,她将纠缠源的亮度指标提升了4倍,从每秒200万对光子,做到800万对,使得实验所需时间大幅下降,科学目标更容易实现。其他团队的指标也都普遍上提了很多“余量”,确保设备在天上万无一失。
2016年8月16日,“墨子号”成功发射升空。就在卫星出厂前,一个激光器被发现功率下降,团队成员花了二十多天,没日没夜,在总装车间论证、拆验、重装,发射时间因此不得不推迟一个月。潘建伟后来回忆,卫星发射前,无神论者如他,也紧张到双手合十,忍不住暗暗祈祷老天保佑。
2017年1月,量子卫星三大目标实验基本顺利完成,印娟和五大地面站的同事们都回到上海,度过了“史上最轻松快乐”的春节。年会上,一首改编版《南山南》唱进所有人心坎,“你在地球的轨道里,自由地飞;我在地面的山顶上,寒风在吹……如果所有地面站连在一起,扫过夜空只为拥抱你,熬过深夜的那一刻晚安。”
科学的殿堂
2017年5月,利用自主发展起来的高性能单光子源,“潘之队”在国际上率先实现了超越人类历史上第一台电子管和晶体管计算机的量子计算原型机。而隔壁实验室里,一台约50个量子比特的超导量子计算机有望在三年左右研制出来,它将在特定问题上超越目前最强大的超级计算机,实现“量子称霸”。实验室里,制冷机的“滴滴”声从研究人员耳边掠过,匀速而平缓,仿佛通向万籁静寂的永恒。
潘建伟和他的量子梦之队
张强
9月,世界上首次洲际量子通信在北京和维也纳进行,视频通过量子卫星密钥分发进行了加密。潘建伟和塞林格分处两地的视频会议现场。
2012年,《Nature》杂志就曾报道,“在量子通信领域,中国用了不到10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。”而塞林格在2017年这样评价他学生的成果:中国如今在量子保密通信领域的成就,“爱因斯坦一定会对此感到惊讶”,“因为这些量子力学理论,比如量子纠缠,现在已经真的进入实际应用,这超出了爱因斯坦的预期。”
少有人知的是,被《爱因斯坦文集》启蒙的青年潘建伟,在1992年的本科毕业论文里,集中研究和总结了量子世界的各种佯谬,内心深处站在爱因斯坦一边,试图证明“他是对的”。
25年来探索的结果,恰恰相反。“墨子号”量子卫星证明了量子理论在千公里水平上的正确性。现在潘建伟已经瞄准地月之间的卫星轨道,向非定域性发起终极检验——38万公里外的月球,光速到达也要约1.3秒,瞬间的量子纠缠态,爱因斯坦笔下那“幽灵般的超距作用”,是否还有可能?
“从爱因斯坦提出引力波的概念到探测到引力波,用了整整100 年时间。我们希望,同样是在爱因斯坦提出量子纠缠的概念后的100年内,我们将最终实现对量子力学非定域性的终极检验。”年底的复旦科技创新论坛上,与发现引力波的三位诺奖得主同台,潘建伟在学术报告末尾这样说道。万一答案是否定的?谁知道呢,或许会是物理学的全新篇章。
这25年里,商务印书馆的《爱因斯坦文集》,从淡绿格子条纹封面,再版为橘黄书脊、白封面,潘建伟买来送给弟子们人手一套三册,摆在各自的办公室书桌上。其中名篇《探索的动机》为庆祝普朗克60岁生日而作,堪称他们的“科学圣经”——
在科学的殿堂里有三种人,一类将科学视为特殊娱乐,从中得到智力的快感,和雄心壮志的满足;另一类人则纯粹是出于功利的目的;而第三类人,渴望得到那些普遍的基本定律,也就是莱布尼茨所说的“先定的和谐”,比起比较愉快和容易达到的目标,它才是无穷的毅力和耐心的源泉。
在无数场合,潘建伟不断复述着与他的“偶像”相似的话,并自豪于他的团队,是少数中的“最后那类”。
来源:南方人物周刊