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宇宙中耀眼的“脑袋”

宇宙中耀眼的“脑袋”

邵红能

27岁,入选美国《科学》杂志“年度全球十大科技进展”;29岁,参与的研究成果被《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的院士;45岁,获得国家自然科学一等奖.……他,就是潘建伟,“墨子号”量子科学实验卫星的首席科学家,也是“中国的量子之父”。“小宇宙”爆发大能量

上中学时,潘建伟的英语不太好,一次英语课上,他鼓起勇气举手发言,可站起来后大脑却一片空白。那次经历让潘建伟十分受挫并暗下决心:“如果将来在国内做出成就,一定要让别人请我去讲学。”

1987年,潘建伟从浙江省东阳中学考入中国科学技术大学近代物理系。后来,在科大理论物理专业读研时,潘建伟的导师曾对他说,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。

2016年8月16日這天,我国自主研制的世界上第一颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。而这一天,潘建伟在指挥中心忙碌着;也是这一天,在距离敦煌不远的酒泉,潘建伟感慨万千。“墨子号”的发射成功让中国在全球领域的远距离量子通信中占有了绝对的领导地位,他曾在《朗读者》节目中说:“中国想再次站在世界的舞台中央,离不开科技的力量。”“墨子号”为我国抢占了量子科技创新的制高点,实现了“领跑者”的转变,让无条件安全通信成为可能。

这一切成绩的取得,要从他选择物理专业的那一天说起。对潘建伟来说,1987年9月4日是他人生中一个重要的日子。那天,他来到中国科学技术大学报到,内心那份激动与喜悦他至今记忆犹新。谈及选择物理专业的原因,除了来自中国科学技术大学老校长严济慈的鼓励,还有潘建伟对这个学科的“喜爱”。选物理,因为比较简单。潘建伟坦言自己的记忆力并不好,“写拼音对我来说是最折磨人的事情。但是后来我上了初中才发现,居然还有这么简单的学科,那就是物理”。其实,发现潘建伟适合学物理的还有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。有意思的是,最初在大学上量子力学课时,潘建伟的第一反应是“怎么有这样胡说八道的东西”。但如今,已成为中国量子科技领军人物的潘建伟,却已经与量子“纠缠”了20余年。一头扎进量子世界

什么是量子?这大概是所有物理“门外汉”听到“量子之父”时的第一问。潘建伟是这样解释的:“比如你有一瓶水,然后你分成二分之一瓶、三分之一瓶,到最后就变成一个小颗粒了。大家都知道,这个叫作水分子。所谓量子,只不过是微观世界里一种最小颗粒的统称。”

1987年,潘建伟在中国科学技术大学近代物理系求学时,接触到量子力学,发现微观世界里有很多奇特的现象,与传统的经典规律完全背道而驰。如此种种神秘现象让潘建伟对量子产生了极大的兴趣,也确立了他研究量子的奋斗目标。本科毕业前,潘建伟集中研究和总结了量子世界的各种佯谬,作为自己的毕业论文。毕业后,他继续在科大攻读理论物理硕士学位。1996年硕士毕业后,经导师推荐,潘建伟赴量子科学研究的前沿阵地——奥地利因斯布鲁克大学攻读博士学位。

潘建伟的导师塞林格与他第一次见面时就问他:“你的梦想是什么?”“我要在中国建一个和您的实验室一样的世界领先的量子光学实验室。”为了尽快掌握实验方面的知识和要领,潘建伟几乎整日泡在实验室里。几个月后,潘建伟就和实验室的同事完成了一项重要的实验,即在国际上首次实现光子的量子隐形传态。这项成果发表在《自然》杂志上,被认为是量子信息实验领域的开端。至今,这篇论文仍是量子信息科学领域被引用次数最多的实验论文。此后,潘建伟利用量子纠缠,先后实现了量子纠缠交换、三光子纠缠及其非定域性检验、四光子GHZ纠缠和高保真度的量子隐形传态、量子纠缠纯化等重要实验,成果均发表在《自然》《物理评论快报》等专业刊物上,潘建伟及合作者的工作也多次被欧洲物理学会和美国物理学会评为年度物理学重大进展。

这时,量子信息作为新兴科学开始蓬勃发展起来。潘建伟很快了解到,这门科学能够用一种革命性的方式对信息进行编码、存储、传输和操纵,可以实现利用任何经典手段都无法完成的信息功能,可以在提高运算速度、确保信息安全、增大信息传输容量等方面突破经典信息的极限,带来极大的应用价值,并具有重大科学意义,势必会成为推动整个信息产业发展的技术革命。2001年,潘建伟入选“中科院引进国外杰出人才”,并获得中科院知识创新工程重要方向性项目的支持,在科大组建了量子物理与量子信息实验室。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,为人类开启了量子世界之窗。全球通信加速度

在世界最大的综合性科学组织,即美国科学促进会2019年的年会上,中国“墨子号”量子科学实验卫星团队被授予克利夫兰奖。“墨子号”这个名字寓意特别,因为墨子是中国历史上的第一位科圣。墨子在《墨经》里面提到“端,体之无序而最前者也”。这个“端”指的就是小颗粒,是组成所有物质的最基本的单位。

此次获奖的墨子号量子卫星通信科研团队的成果,就是在潘建伟的带领下完成的,他们的科研成果曾在2017年6月登在美国《科学》杂志的封面。这期《科学》还刊发了中国科学院院士、中国科学技术大学教授、量子卫星项目首席科学家潘建伟等人的论文。美国《科学》杂志主编杰里米伯格表示:“中国的量子通信研究是一项包含了从基础物理学到卫星技术等在内的科技成果,近些年中国在科学领域所取得的进展让我感到非常震撼,这篇论文在众多竞争者中脱颖而出,它证明了中国现今的科技水平。”

早在2003年,潘建伟就萌生了把卫星送上天,利用天地之间的链路做量子科学实验的想法。这在当时听起来如天方夜谭,且欧洲、美国当时还没有过类似的项目。2008年,“墨子号”还在做地面验证的时候,中科院就“钦点”了中科院上海技术物理研究所的王建宇团队来做航天载荷,中科院微小卫星中心来做卫星平台,上海光机所、成都光电院等单位一同参与。潘建伟指出:“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方法。实验室科学所需的学科非常庞杂,光学、电子学、真空等诸多门类缺一不可。

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。过去这些年,“潘建伟团队”科研成果不断登上《自然》《科学》等杂志。《自然》杂志在报道潘建伟团队量子通信研究成果时写道:“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。”

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