《科技创新与品牌》杂志社院士天地

品味科学 演绎激扬人生

  郭光灿,1942年生于福建惠安,现为中国科技大学物理系教授、博士生导师、中国科学院量子信息重点实验室主任、中国光学学会副理事长、中国物理学会常务理事、全国量子光学专业委员会主任、科技部973项目“量子通信与量子信息技术”首席科学家、中科院重要方向项目首席科学家,国家基金委创新群体学术带头人。1981年~1983年,在加拿大多伦多做访问学者;1997年提出量子避错编码原理;1998年提出概率量子克隆原理,并研制成功量子概率和普适克隆机;2000年提出新型量子处理器,2002年获得中科院自然科学二等奖;2003年获得国家自然科学二等奖和何梁何利奖,当选为中科院院士;2005年被聘为北京大学物理学院兼职教授;2009年当选第三世界科学院院士。
  他,是铁杆武侠迷,看遍金庸的每一本武侠小说;
  他,是地道闽南人,钟爱那一曲《爱拼才会赢》;
  他,是曾经贫困的渔家子弟,能吃上一餐煮地瓜就已经很满足;
  他,是今天誉满学界的中国科学院院士,成就等身却依然奋力前行。
  他就是郭光灿,一个古稀之年依然求新、求变的执着科学家。他在科学的道路上细细品味,演绎了一段激扬的科研人生。

痴迷量子,不可自拔

  按照郭光灿所说,他研究量子技术“纯粹是兴趣爱好和跟着感觉走”,他也不知道未来会发展成什么样儿,只是直觉告诉他,这个方向一定能挖掘出许多新的技术。也许正是这种好奇心的驱使,郭光灿大胆地将研究从无线电转向了物理学领域,这一转便与量子结下了不解之缘,一发而不可收。
  其实最初郭光灿研究的是激光,1974年他与同事一起成功研制出了国内第一台氮分子和染料激光器,并夺得当时的全国科学大会奖励,研究道路一片平坦。但在上世纪80年代初,他开始迷上量子,毫不犹豫放弃了小有成就的气体激光器研究,进而转战研究量子光学理论。1981年左右,郭光灿出国访问学习,他发现在国内仍然处于空白的量子光学,在国外已经发展了近20年,而且各方面研究已经做得风生水起。可郭光灿仍然不死心,“不管这个领域在国内多落后,我依然坚持做下去,还要做出成绩来。”

从理论跨进实验


  1983年,郭光灿回国,为了迎头赶上落后20年的差距,他花费大量时间和精力自学量子理论,甚至跑去蹭一些量子场论这样的理论物理基础课,工作学习到深夜更是家常便饭。那时受到“文革”的影响,国内学术环境不是太好,郭光灿依靠少量经费,奔波全国各地宣讲量子研究的重要性,立志要培养出一批中国的量子科学技术研究人才。
  经过整整10年的蓄积,郭光灿不仅为国家培养了一大批研究生,也让世界量子光学理论研究的舞台听到了来自中国的声音。如今国内从事量子光学及相关领域研究的人才大多受到他的启蒙。回忆这段激情岁月,郭光灿依然记忆犹新,难以忘怀,他说这才是真真切切的十年磨一剑。

转战量子信息,成为领头羊

  上世纪90年代初,郭光灿再次从量子光学转战量子信息技术,这一转使他成为我国量子信息领域最有成就的科学家和领头羊。
  郭光灿说,不论是现在的计算机还是通信技术,到一定极限可能就没办法再发展下去,要突破就必须运用新原理,而把量子理论与信息技术结合,能够实现许多现在信息技术无法实现的功能。比如量子密码学理论上能保证通信的绝对安全,这是经典密码学做不到的。再如目前备受关注的量子计算机,一旦生产出来,将使人类文明大踏步发展。“如果量子技术能够得到充分挖掘,一定会大大改善人类社会的生产力。”
  尽管如此,郭光灿最初研究量子信息技术却坐了近十年的冷板凳。当时国际上刚刚兴起量子信息技术研究,国内尚无人对该领域的发展有所认识,自然也没人关注。早期,郭光灿的工作几乎没有得到过重视,更别说申请大的项目支持。为此,他带着研究生做了许多宣传工作。“我们在相关物理学杂志上发表大量介绍量子信息的科普性文章,得到了许多高校的响应。我还利用香山会议宣传量子信息技术,慢慢的国内学术界开始了解量子信息的重要性,但要得到重视,道路仍然漫长。”

激情演讲


  那几年郭光灿孤军奋战,常常有种“独守空房”的落寞和心酸,但即使要借钱买设备,他也坚持做研究。申请项目失败一次就再来一次,屡战屡败,屡败屡战。2001年,量子通信和量子信息技术终于得到国家重视,在科技部973计划中正式立项,郭光灿当之无愧成为项目首席科学家。他发动国内多家单位组成课题组,利用原有的量子光学研究基础,获得量子避错编码方面的一系列成果,又首先在国际上提出了量子概率克隆的方法,被国际学术界称为“段—郭界限”。
  2001年在中国科学院的支持下,由郭光灿领导的量子信息重点实验室成立,除了承担量子信息的理论研究之外,实验室还确定了量子密码与量子器件、冷原子物理、低维光学体系、量子输运与量子计算、表面等离子体与量子传输、介质微腔等多个研究方向。由于在中国量子信息研究中作出重要贡献,郭光灿2003当选为中国科学院信息科学学部院士。
  2004年底,郭光灿先于其他国家,首次解决了量子密钥分配过程的稳定性问题,经由实际通信光路实现了125公里单向量子密钥分配,成为当时国际上公开报道的最长距离的使用光纤量子密码系统。2007年在北京实际光纤网络上实现第一个全通型的量子密钥分配网络;2009年在芜湖市实现世界上第一个量子政务网。据郭光灿介绍,量子密钥是保障通信安全的终极技术手段,它提供了一种不可窃听、不可破译的新一代密码技术,任何窃听者在信息传输过程中截取或测量,都会改变量子密钥的状态,从而被及时发现。
  有专家预测,量子通信技术可能在未来20至30年后,对人类社会发展产生难以估量的影响。目前,美国、日本、中国以及欧洲多个国家都在积极研究量子信息传输技术,量子通信必将会成为今后世界各国竞争的焦点。而郭光灿和他的团队也已经规划好了“十二五”期间的发展。
  他表示:“量子密码我们已经研究了十几年,下一步是要实现应用,争取将国内密码技术提高到量子密码技术水平。针对固态量子计算机最核心的量子芯片,我们尝试用半导体芯片做量子芯片。此外,我们打算运用所研制的迄今世界上最高水平的八光子纠缠源和固态量子存储器研制量子纠缠网络,实现分布量子计算等新信息功能。”
  郭光灿的每一次选择,就是一次创新和超越,且都获得了成功。这一次他用执着和坚持点燃了我国量子信息的火焰,推进了国内量子信息研究的发展。

挑战量子计算机,力争抢占制高点

  如今,已是古稀之年的郭光灿,又向更高难度的量子计算机发起了挑战。他说:“量子计算机是整个量子信息领域最重要、最主流的方向,谁先研制出来,谁就在战略上占有制高点。我希望还能发挥余热,为国内量子计算机的研究贡献一己之力。”

绿色的启迪


  据郭光灿介绍,美国政府曾说过,美国想要保持世界领袖地位,就要高度重视量子信息技术的发展,其主要指的就是量子计算机技术。为此,美国政府于2009年启动了“微型曼哈顿计划”,集中精力发展量子计算机。
  量子计算机之所以得到如此重视,主要有两方面原因。一方面,目前常规电子计算机的发展已经接近其物理极限,必须要有新的计算机代替;另一方面,量子计算机除了体积小之外,处理数据也不像常规计算机那种串行运算模式,而是运用并行运算,大大提高运算速度。
  有专家曾指出,分解一个有400个数字的合数,用最快的超级计算机也得需要几百万年时间,而量子计算机只需一年左右。量子计算机将为人类提供一种强大无比的计算工具。
  但郭光灿表示,要制造出这样一台功能强大的量子计算机,难度非常大。“量子计算机是靠量子物理原理来实现并行运算的,但目前科学界对量子理论的把握还面临着许多未知困难,对微观量子态的控制一直没有找到更加有效的办法,特别是还未找到可集成、可扩展、可容错的材料来实现这种量子计算。这项研究实质上是对人类操控量子世界能力的极大挑战。”
  不过,即使困难重重,郭光灿依然充满信心。他说:“从前觉得研制出一台量子计算机,是件相当遥远的事情,但现在看来,量子计算机的研究已经初见端倪,最新的研究进展使人们看到了曙光。只要国家赶快部署,把量子计算机,尤其是量子芯片作为重点,给予大力支持,我们还来得及先发制人,甚至可能抢先做出成果。”
  要想量子计算机的研制获得成功,我们不能再重蹈没有核“芯”技术的覆辙。为此,郭光灿及其团队已经锁定了固态量子计算机最核心的量子芯片研究,初步确定了利用半导体芯片制作量子芯片的思路。郭光灿透露:“这项研究非常艰苦,国际上没有几家能做,如果这条路走得通,我们就能在较快时间内做出量子计算机。”
  我国《中长期科技发展纲要》已将量子调控列入重大基础研究计划,这有力推动了量子信息的发展。但郭光灿也指出:“我国基础和研究累积都比较薄弱,在国际主流方向上作出原创性的成果还很少,特别是在量子计算机这个学科的主流方向上,面临着严峻的挑战。因此在保持量子调控重大专项的基础上,我国迫切需要有自己的‘微型曼哈顿计划’。”
  郭光灿建议,相关部门应组织国内精锐研究队伍,提供足够强大的优势,集中火力冲击量子计算机研究。同时,由于量子计算机的研究面临着难以想象的困难,可能会出现很长时间都无法突破的状况,所以对科研人员来说,要耐得住寂寞,先老实做好基础积累,再静下心来攀登高峰。
  郭光灿把更多的期望寄托在了年轻人的身上,他说:“未来我国量子信息技术会发展到什么程度,完全取决于现在这一代人的水平和激情。量子信息技术研究不像其他领域容易出成果,所以年轻人一定要有激情,要全情投入,也一定要坚信你们的选择,把它作为终身事业。我希望可以看到更多的人参与我国量子信息技术的研究。”

不断超越,品味“挖宝”乐趣

  郭光灿是地道的闽南人,出生在福建一个普通渔民家庭,从小在海边长大,见惯了惊涛骇浪。也许正是因为这样,他才更懂得拼搏对于人生的意义。
  几十年如一日的繁忙,郭光灿难有休息时间。他感谢这些年家人给了他最大的理解和支持,让他可以心无顾虑、全力以赴做科研。

郭光灿在办公室


  他自嘲比起那些成天到晚扎在科研里的同僚,他算是比较正常的,因为他的生活还算丰富多彩。忙里偷闲的时候,他喜欢看书,《道德经》、《周易》、《逍遥游》,他都看得津津有味。但似乎武侠小说才是最爱,他有点骄傲地说:“金庸的武侠小说,我一本不落地全部看完。”
  他兴致上来的时候,还会与友人切磋一下保龄球,打打羽毛球。他偏爱古典音乐,也钟爱流行歌曲,百听不厌的是那首《爱拼才会赢》。
  “三分天注定,七分靠打拼,爱拼才会赢。”无论是科研工作还是日常生活,难免会遇到困难和不愉快的事情,这个时候郭光灿就会鼓励自己,不要丧气,要敢拼、敢闯。只要坚定信心,总会有长风破浪,“直挂云帆济沧海”的一天。
  有人说郭光灿的研究方向总在转变,似乎有点“不专一”。但自从进入量子领域之后,至今他依然从一而终,再没离开过量子领域的研究。之所以不断涉足量子领域的诸多新方向,只是因为他想不断挑战自我、超越自我。最初他以量子光学为切入点,不断做深做透,等到有了成果,引起了更多人的参与,使这一方向成为热点之后,他又重新寻找新的潜在生长点,开辟新方向。他说:“这就像是在一个资源很丰富的矿区,挖出宝藏之后,许多人都涌来一起挖,这个时候我就会去寻找新的宝藏。”
  近五十年的科研生涯中,郭光灿就像一个寻宝者,在量子领域中不断探索、发掘宝藏,细细品味和享受着科学带来的人生乐趣。