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解讀潘建偉的“量子人生”
“最近有一部好萊塢科幻大片十分火爆,一夜之間幾乎全民都開始鉆研空間、黑洞和引力——”“你說的是《星際穿越》吧”,。記者采訪潘建偉時(shí),正值九三學(xué)社中央十三屆三中全會(huì)召開,。全國(guó)政協(xié)委員潘建偉在此次會(huì)議上被評(píng)為十位“九三楷模”之一。這位我國(guó)量子力學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)科學(xué)家,,厚厚的眼鏡片后閃爍著睿智的光芒,,說起話來嘴角一抹微笑。
“星際穿越中涉及到的很多現(xiàn)象都可以用物理原理進(jìn)行解釋,。黑洞周圍引力使時(shí)間變慢,、星際旅行都可以被證實(shí),但時(shí)間能不能被穿越,,甚至是倒流回到過去,,人類目前的知識(shí)還不知道。也有可能在一個(gè)我們目前未知的高緯度時(shí)空里能夠?qū)崿F(xiàn),。”潘建偉從自己所掌握的物理學(xué)知識(shí)對(duì)超時(shí)空現(xiàn)象予以解讀,,他說,無論是量子力學(xué)還是相對(duì)論,,因果關(guān)系都是一個(gè)寶貴的原則,,在這個(gè)原則中,人不能回到從前改變歷史,,破壞這種邏輯上的因果關(guān)系,。
在現(xiàn)實(shí)中,有一種與星際穿越很相似的物理現(xiàn)象,,被稱為“量子糾纏”,。愛因斯坦稱之為“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)間幽靈般的相互作用”。“為什么在遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間還有這種超距的互動(dòng),,如何利用這種超距的互動(dòng)進(jìn)行信息傳輸,,就是我們現(xiàn)在正在研究的量子傳輸。”潘建偉口中的量子傳輸,,說起來云淡風(fēng)輕,,44歲的潘建偉半生的輾轉(zhuǎn)、汗水,、榮譽(yù)和驕傲,,都源于此。
15年前,,潘建偉的量子態(tài)隱形傳輸實(shí)驗(yàn)取得“量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展”,,這個(gè)實(shí)驗(yàn)被公認(rèn)為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的開山之作,歐洲物理學(xué)會(huì)將其評(píng)為世界物理學(xué)的年度十大進(jìn)展,,美國(guó)《科學(xué)》雜志將其列為年度全球十大科技進(jìn)展,。值得一提的是,該工作同倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對(duì)論等影響世界的重大研究成果一起,,被《自然》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”,。
那一年,青年學(xué)者潘建偉29歲,,并以這種方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)自己未曾謀面的導(dǎo)師愛因斯坦的致敬,。
初探量子世界
1987年,17歲的潘建偉考入中科大近代物理系,。在大學(xué)他第一次接觸到了量子力學(xué),,也迷上了這門科學(xué)。
其實(shí),,最早發(fā)現(xiàn)潘建偉適合學(xué)物理的是他的中學(xué)老師韋國(guó)清,。當(dāng)時(shí),潘建偉正在數(shù)學(xué)專業(yè)和物理專業(yè)之間猶疑,。老師說,,數(shù)學(xué)完全靠自由思想的創(chuàng)造,在很大程度像智力游戲,。而你是一個(gè)感受鮮活,,對(duì)事物敏感,善于發(fā)現(xiàn)規(guī)律的孩子,,還是更適合學(xué)物理,。
感謝潘建偉的老師,為我們發(fā)現(xiàn)了一位卓越的物理學(xué)家,。
“量子力學(xué)所預(yù)言的種種奇特現(xiàn)象,,以及量子力學(xué)誕生100余年來對(duì)人類物質(zhì)文明進(jìn)步所帶來的巨大變革,使我對(duì)量子物理產(chǎn)生了濃厚的興趣,,探究量子世界的各種奇妙現(xiàn)象成了終生的奮斗目標(biāo),。”潘建偉如是說。
潘建偉現(xiàn)在還記得第一次讀到《愛因斯坦文集》自序時(shí)的感受,,“對(duì)于我,,那就是一種天籟之音。”
少時(shí)在家鄉(xiāng)小山上凝視天穹,,潘建偉經(jīng)常會(huì)有一些隱隱約約的冥想,。那種說不清道不明的感受,愛因斯坦清清楚楚地說了出來,。自然界的規(guī)律不會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)人是否高貴是否地位顯赫而變化,,而是由自然界本身決定的。自然界的規(guī)律是永恒的,,昨天是這樣的,,今天是這樣的,,明天也是這樣??粗粗私▊ギa(chǎn)生了一種巨大的安全感,,這種安全感來自對(duì)規(guī)律統(tǒng)治世界的由衷折服,。在潘建偉的心中,對(duì)世界的探究成為了保持精神自由的工具,,成為了擺脫精神桎梏的飛行器,。
潘建偉是愛因斯坦的崇拜者,他喜歡閱讀《愛因斯坦文集》,。“愛因斯坦的散文是最深刻,、最美的,讓我堅(jiān)定了研究物理的決心,。讓我感覺從簡(jiǎn)單的事實(shí)后面可以找到一個(gè)規(guī)律,,現(xiàn)在、將來都不會(huì)變,。”
也是在愛因斯坦的“指引”下,,潘建偉在碩士畢業(yè)后選擇了出國(guó)留學(xué)。“當(dāng)時(shí)中國(guó)國(guó)內(nèi)在量子領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)水平相比還比較落后,,我出去的理由很簡(jiǎn)單,,就是為了學(xué)習(xí)先進(jìn)的知識(shí)和技術(shù)。”
在奧地利維也納大學(xué)的塞林格教授門下攻讀博士學(xué)位時(shí),,潘建偉腦子里醞釀了一個(gè)對(duì)量子態(tài)進(jìn)行隱形傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)方案,。一個(gè)月后,他覺得方案成熟了,,便興奮地在組里報(bào)告他的設(shè)想,。然而,報(bào)告結(jié)束后全組沒一個(gè)人說話,,這令潘建偉十分詫異,。好半天,塞林格教授問:“潘,,你不知道這就是量子態(tài)隱形傳輸?shù)睦碚摲桨竼??你不知道我們另一個(gè)小組正在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)嗎?”
潘建偉一聽,,主動(dòng)請(qǐng)纓加入實(shí)驗(yàn)組,,塞林格考慮再三接受了他的請(qǐng)求。這一“請(qǐng)”一“允”,,悄然改變了潘建偉的命運(yùn),。
把微觀粒子送進(jìn)我們的生活
現(xiàn)在科學(xué)家用真實(shí)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦的想象。而為了認(rèn)識(shí)和操縱光子之間的糾纏狀態(tài),潘建偉同國(guó)內(nèi)及德國(guó),、奧地利專家合作,,對(duì)這一世界性難題研究了近十年時(shí)間。
潘建偉向記者通俗地解釋了量子糾纏,,“這是光子間的神秘聯(lián)系,,奇妙在其中的一個(gè)光子經(jīng)過測(cè)量就可以了解另外一個(gè)光子的狀態(tài);光子糾纏是一個(gè)整體,,兩個(gè)光子作為一個(gè)整體來看時(shí)如果試圖竊聽或偷走其中一個(gè)光子的信息,,你將任何信息都得不到。這是另外一個(gè)特性,,這就是其保密安全性所在,。”
但由于在量子通信通道中存在種種不可避免的環(huán)境噪聲,“量子糾纏態(tài)”的品質(zhì)會(huì)隨著傳送距離的增加而逐漸降低,,導(dǎo)致量子通信手段目前只能停留在短距離應(yīng)用上,。
2005年,當(dāng)潘建偉與楊濤,、彭承志等同事們發(fā)表了題為《13公里自由空間糾纏光子分發(fā):朝向基于人造衛(wèi)星的全球化量子通信》的研究論文后,,13公里——這個(gè)當(dāng)時(shí)國(guó)際上自由空間糾纏光子分發(fā)的最遠(yuǎn)距離,其糾纏的特性仍然能夠保持的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,,讓人們開始思考實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信的可能性,。
值得關(guān)注的工作還有很多。2004年,,潘建偉團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)五光子糾纏,,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一種更新穎的量子隱形傳態(tài),即終端開放的量子隱形傳態(tài),,為奠定分布式量子信息處理的基礎(chǔ)作出了貢獻(xiàn),;2006年,首次實(shí)現(xiàn)了兩光子復(fù)合系統(tǒng)量子隱形傳態(tài),;2008年,,首次實(shí)現(xiàn)了光子比特與原子比特間的量子隱形傳態(tài)。潘建偉和其他量子物理學(xué)家一起,,一點(diǎn)點(diǎn)開啟量子世界的窗,。
也許,有人仍對(duì)這樣晦澀的理論和技術(shù)難以理解,,這些匪夷所思的科研成果有什么用途,?150年前,當(dāng)麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電磁波時(shí),,人們也在問同樣的問題,。事實(shí)上,,電磁波的發(fā)現(xiàn)才讓電視、無線電,、雷達(dá)和手機(jī)成為可能,。對(duì)量子態(tài)隱形傳輸和糾纏交換的研究成果同樣傳遞出的是人類的未來世界,為將來新一代量子通信打下基礎(chǔ),。未來的量子通信,,在原理上完全保密的,不能被竊聽,,在將來的國(guó)防上會(huì)有非常重要的應(yīng)用。此外,,通過對(duì)糾纏態(tài)的研究,,可以為將來的高速度的量子計(jì)算機(jī)打下基礎(chǔ)。
潘建偉,,就這樣操縱著單個(gè)粒子,,解開微觀粒子蘊(yùn)含的詭秘和矛盾,把它們送進(jìn)我們的生活,。
編輯:邢賀揚(yáng)
關(guān)鍵詞:量子 潘建偉