量子衛星首席科學家 潘建偉 量子追夢人

文/記者陳芳、喻菲、徐海濤、董瑞豐 |2017.07.23
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2017年3月,潘建偉在政協會議上發言。圖/新華社
2016年11月28日,河北興隆觀測站,「墨子號」量子科學實驗衛星過境。圖/新華社
潘建偉院士(左)在中國科大量子儲存實驗室內向學生解說研究情況。圖/新華社

文/記者陳芳、喻菲、徐海濤、董瑞豐

日前,由中國大陸知名物理學家潘建偉等人所組成的中國科學院聯合研究團隊,在安徽省合肥宣布,全球首顆量子科學實驗衛星「墨子號」取得重大科研成果:首次實現千公里級別的「量子糾纏」。這個成果回答了愛因斯坦關於量子力學的「百年之問」。國際權威學術期刊《科學》以封面文章形式予以報導,稱之為「里程碑式的研究」。

我們身處的時空是連續的嗎?愛因斯坦、波爾等科學巨擘為我們描述的宇宙哪個更加真實?對一些基本原理的檢驗,非地面實驗室條件所能完成。正如數百年前天文望遠鏡的發明開啟了天文學的新時代,「墨子號」實驗成果也提供了一種全新探索手段,將為物理學的未來打開一扇門。從量子衛星到量子電腦,再到這一最新成果,近年來大陸科學家接連在量子研究領域取得世界級領先成果,在「第二次量子革命」中站到了前沿。

以量子之小,負載科技變革之恢弘,潘建偉可謂「見微知著」。

光量子電腦、量子通信衛星、天地一體化量子通信網路……中國科學技術大學潘建偉帶領的團隊取得了一系列突破性進展。源自微觀世界的這些進展,未來有望為人類社會帶來翻天覆地的變化。

量子電腦是潘建偉最近為人所周知的研究成果。

晶片愈來愈小,傳統電腦未來必將遭遇計算極限。求解一個億億億變數的方程組,利用目前的超級電腦,大約需要一百年。而對類似這樣的大規模計算難題,如果借助萬億次量子電腦,只需要零點零一秒。

「這意味著,中國科學家研製出了量子計算領域的「埃尼亞克」(第一台電子管電腦ENIAC)。」國際權威學術期刊《自然•光子學》的審稿人表示。

計算能力極限的大幅提升,意味著量子電腦可以分析更多資料。比如,實現精準的天氣預報,躲避颶風海嘯;計算優化的出行線路,讓城市減少堵車;識別有效的分子組合,降低藥物的研發成本和周期;甚至可以用於探索太空,較快辨別可能存有生命體的行星。

潘建偉預計,量子電腦今年底可以實現操縱二十個量子比特、達到目前商用CPU水準;到二○二○年,有望實現操縱四十五個量子比特的目標,向經典超級電腦的計算能力發起挑戰。

不覺奇怪不算懂

「在科學的領域,必須努力去做世界第一的事情,最終目標肯定是要做別人沒有做過的事情。」潘建偉說,「我們現在科研條件好了,能力也強了,今後要習慣自己在前面領跑,或者在前面跑的時候要多給一點掌聲、多給一點支持,要讓『敢為天下先』成為一件很自然的事情。」

一九九○年潘建偉第一次接觸量子力學。那時他在學校的「經典力學」、「電動力學」、「統計力學」都學得很好,卻完全搞不明白「量子力學」,有次期中考,量子力學差點不及格。

「雙縫實驗中,人沒有『看』電子時,就不能說它是從哪條縫過去的,這實在太奇怪了,這不對啊。一個人要麼在上海,要麼在北京,怎麼會同時既在上海,又在北京呢?」量子世界的奇怪與陌生讓潘建偉陷入這樣的苦思。

二十多年前,就讀中國科學技術大學的潘建偉,在畢業論文中向傳統的量子力學理論發出質疑。

「量子力學基礎理論認為,微觀粒子同時處於多個可能狀態的疊加,這從日常思維來看簡直是一種悖論。」潘建偉說,自己就想在本科論文中找個例證來否定這個理論。這個在今天看來不乏「莽撞」的舉動,卻引導他邁入了「量子之門」。

現在回看,潘建偉認為這是最好的現象,「量子力學的創始人之一玻爾說,如果學了量子力學後,你不覺得奇怪,不覺得不可思議,不犯糊塗的話,那你根本就沒學懂。」

赴科研重鎮學習

量子世界愈古怪,潘建偉愈想弄明白。於是,他選擇與量子「糾纏」下去。

他認識到,物理學終究是門實驗科學,再奇妙的理論若得不到實驗檢驗,無異紙上談兵。然而,一九九○年代中國缺乏開展量子實驗的條件。一九九六年碩士畢業後,潘建偉赴量子科研的重鎮——奧地利因斯布魯克大學攻讀博士學位,師從量子實驗研究的世界級大師塞林格。

一個理論物理專業的碩士,想要很快進入實驗量子物理前沿,其中困難可想而知。為盡快掌握要領,潘建偉幾乎整天泡在實驗室裡。

塞林格在接受新華社記者採訪時說,潘建偉剛來讀博士時從未做過實驗,但很有實驗的天賦。「我派他和一個團隊去做量子隱形傳態的實驗,那是非常複雜的實驗。他立即就接受並投入其中,對實驗充滿熱情。過了一段時間,他就成為該項實驗的領軍人物。」

在老師眼裡,當實驗中出現問題,潘建偉從不退縮,把困難當做更上層樓的激勵,大家總是聽他說:「情況很好」,這個非常樂觀的人,總能找到解決問題的辦法,大家都喜歡他。

「毫無疑問,他現在是世界上這個領域最好的科學家,我非常為他驕傲。」塞林格說,「我也很鼓勵他回國發展,這裡有很好的機會。中國在量子通信領域已步入世界先進行列,有很大一部分是潘建偉努力的結果。」

小檔案

潘建偉,1970年3月生於浙江東陽,自小成績優異,但父母從不限制他,任由他做感興趣的事。17歲,考入中國科學技術大學近代物理系,對大學生活印象最深的是,同學之間比誰更早起晚睡,拚命喝茶熬夜讀書。

27歲,研究成果入選「年度全球10大科技進展」;29歲,參與的有關量子隱形傳態的研究成果,和德國物理學家倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論等影響世界的重大研究成果一起,被《自然》評為「百年物理學21篇經典論文」。

31歲,擔任中國科學技術大學教授;41歲,成為中國大陸當時最年輕院士;45歲,獲國家自然科學一等獎。

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