量子世界里的“牧羊人”——专访中国科学技术大学郭光灿院士

原文转自中国光学微信公众号不久前，诺贝尔物理学奖授予了法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·克劳泽（John f. Clauser）和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们在量子信息科学研究方面所作出的贡献，这也意味着人类正在进入全新的量子信息时代。而在中国有这样一位科学家，他从上个世纪80年代开始便率先在中国扛起量子研究的大旗，在这片量子光学和量子信息学发展还很贫瘠的土地上“开荒”“耕耘”，他就是郭光灿院士。

“昨夜西风凋碧树。独上高楼，望尽天涯路”。他以兴趣为起点，以科学家责任为担当，挑战人生第一道门槛——量子光学。那时在中国，量子光学还是无人问津的领域，他冒着科研生涯“竹篮打水一场空”的风险，顶着否定和怀疑，甘当冒险者，在近60年的岁月长河中培养了35届学生，发起中国第一届量子光学会议，加快了中国量子光学发展的脚步。彼时的他是苍茫量子大地上孤独的“牧羊人”。

“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴”。90年代初，他以敏锐的目光将研究聚焦在量子信息这一“小荷才露尖尖角”的领域，挑战人生第二道门槛——量子信息学，试图寻找新的突破点和方向，推动中国在这一新兴交叉学科的领域拔得头筹，站稳脚跟。如今，中国在量子优盘、量子芯片等方面的研究居世界前列，中国量子信息的研究实现了与国际同行并驾齐驱的局面。此时的他是等到寒冬融化了牧场的“牧羊人”。

“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”。如今已入耄耋之年的他开始挑战人生的第三道门槛——揭秘经典世界和量子世界的奥秘。科学的魅力在于下一秒的未可知，如今的他依然乐此不疲地奋战在科研一线，做科普，教学生。现在的他是吹开了笑脸的“牧羊人”。

接下来，请跟随“Light人物”，一起走进神秘莫测的“量子世界”，感受量子带给我们的科学之美。

郭光灿，中国量子光学和量子信息科学的开拓者、先行者与奠基人。中国科学院院士、第三世界科学院院士、中国科学技术大学教授、中国光学学会前理事长。1965年郭光灿从中国科学技术大学本科毕业后留校任教；1981年至1983年作为访问学者，前往加拿大多伦多大学学习；2003年当选为中国科学院院士；2009年当选为第三世界科学院院士。20世纪80年代，郭光灿率先将量子光学理论体系引入国内。20世纪90年代，郭光灿又率先将目光投向量子信息领域，承担国家“973计划”项目，使量子信息科学在中国获得了长足发展。他曾提出概率量子克隆原理，推导出最大克隆效率，在实验上研制成功概率量子克隆机和普适量子克隆机。2021年，郭光灿凭借《基于量子信息技术研究量子物理基本问题》获得2020年度国家自然科学奖二等奖。

采访对象：郭光灿（中国科学技术大学）

采访人：王卉

1Q：作为中国量子领域的开拓者和发展人，您能简要介绍一下您的研究方向和内容吗？A：我于80年代初开启了量子科学的研究征途，最初十年主要从事量子光学基础研究，九十年代初跨进到量子信息领域，并逐步建立充满活力的研究团队，创建了中国第一个省部级量子信息重点实验室。主要研究方向和内容包括：
①量子计算。基于半导体、超导、离子阱和光学系统等研制专用的量子模拟和通用量子计算机；
②量子纠缠网络。研制量子光源、量子通道、量子存储器等。实现量子中继和量子优盘，构建大尺度量子网络；
③量子精密测量。利用固态自旋和冷原子系综等研制高精密的量子传感和量子探测装置。研制集成的量子芯片；
④实用化量子密码。研制高效、实用、安全的量子密码系统，探索新型的量子密码体系；
⑤ 量子物理基本问题。理论上研究量子信息和量子物理的基本问题，并使用量子信息技术进行实验探索。
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Q：您和段路明发表了中国物理学家关于量子研究的最早一批论文。1997年您在《物理评论快报》发表的论文中提出“通过比特配对来保持量子计算中的相干性”的方案。一年后，您提出的概率量子克隆原理，被称为“段-郭克隆机”，震惊了国际量子光学界。据我所知，您的学术之路并非一帆风顺，那您在探索道路上遇到了哪些困难？克服这些障碍对量子光学的发展有什么意义？

A：无论是开启量子光学还是继后的量子信息研究，当时在国内学术界都属“冷门”，很难得到理解和支持，甚至被扣上“伪科学”的帽子。坐了二十年“孤独无援”的冷板凳，一直到2001年获得科技部第一个“973”项目才获得转机。量子信息技术没有国家经费的支持是不可能获得重要进展的。

我研究量子光学的动机主要是个人对量子科学的兴趣。当我看到量子信息技术对提升国力和民族复兴有着极其重要的作用，尤其是量子计算必将成为国际战略竞争的焦点，虽然大众极不理解，但是我有责任努力去争取学术界和领导决策层的理解和支持，推动中国尽快投入到这个新兴交叉学科的竞争，发出中国人的声音。科技部自此之后就一直关注和支持量子信息领域的发展。我作为第一个“973”项目的首席科学家，也尽可能去团结国内相关学术队伍，这个项目先后培养了量子信息领域的五位院士。因此，我认为，2001年是中国量子信息发展的转折点。

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Q：2000年，您和团队凭借“利用光腔制备两原子纠缠的方案”研究再次引起世界瞩目，法国物理学家塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)因验证该试验，证明了分离单个离子和光子是可能的，而被授予2012年诺贝尔物理学奖。您认为此方法的重要意义是什么？

A：法国科学家塞尔日·阿罗什获得2012年诺贝尔物理学奖，是因为他第一个在实验上成功地调控单个原子，从而开启了“量子调控”新时代。我们的理论方案是制备两个原子纠缠的有效途径。阿罗什用他的实验方法和技术采用我们的方案制备了两原子纠缠态。这是他量子调控成功的佐证之一。4

Q：不久前，您第一次在毫米量级的宏观世界里没有漏洞地验证了LG（Leggett-Grag）不等式，对量子力学发展的第二次革命产生了重大影响，从量子光学到量子信息学再到量子力学，您是如何做到无缝衔接的？这项成果对量子力学的发展有什么意义？

A：量子光学是研究光与物质相互作用的全量子理论，它将量子力学应用到光学领域，80年代这个学科已经十分成熟，但国内因为各种原因对量子光学知之甚少，我们的工作只是填补了国内的空白，将量子光学应用到物理学各领域，同时培养一支量子光学的科研和教学队伍。量子信息是将量子力学应用到信息领域，在这个新兴交叉学科发展初期，信息载体多数是光场，我们及时将成熟的量子光学理论应用到量子信息的研究中，很快就取得了一系列重要进展。量子信息其后的发展就逐步扩展到原子、凝聚态领域。而当量子信息技术发展较为成熟后，我们又将该技术反过来应用于研究量子世界的奥秘，发现许多新的量子现象。无漏洞地验证LG不等式就是其中的成果之一。这些研究加深了人们对量子力学的理解，有力地推动着量子力学更深刻地发展。

5Q：如今“量子优盘”的概念非常火，您能简要向我们介绍一下它的工作原理吗？它的出现会引起哪些变化？

A：“量子优盘”工作原理：将欲传递的量子信息存储在“优盘”里，然后运用传统的运输工具，如高铁、汽车、飞机等将“量子优盘”运送到接收地方，取出其中的信息。这种远程传送量子信息的方法可以弥补光纤远程量子通信的不足，它无需纠缠源和量子中继，而且可以传送到无光纤端口的地方，是种新颖的远程量子通信方案。当然要实现这种远程量子通信，“量子优盘”必须达到若干性能指标：存储时间应大于一个小时。目前我们的相干光存储已达到一个小时，甚至有望达到25小时，进一步实现单光子存储；存储器的存储模式应足够多；保真度要足够高等。进一步的发展应当实现两个量子优盘的纠缠，将其中一个优盘传送到对方，这可确保信息传输的安全性，因为即使这个优盘被窃听者盗走，它也无法取出所传输的任何信息。
6Q：由您倡议并首次组织发起的量子光学会议从初建时的十几人到现在已经发展成为500人以上的科学大会，为量子学领域的学者提供了学习和分享交流的机会，您当初为什么想要举办这个会议？它的发展轨迹达到了您的预期了么？
A：我之所以在80年代发起和组织“量子光学会议”，是因为我意识到“量子光学”是门重要的基础性学科，不仅对光学领域甚至对整个物理学都极其重要，必须尽快介绍给国内学术界，推动量子光学在国内发展。1984年在安徽琅琊山种下“量子光学”的种子，之后每两年召开一次全国性学术会议，吸引越来越多的年轻人加入量子光学队伍。尤其是量子信息诞生后，量子光学在其中发挥了举足轻重的作用，研究队伍迅速扩大，各高校陆续开设“量子光学”课程。“量子光学”在国内很快生根结果，呈现一派生机盎然的前景，达到了我当初的预期。
7Q：量子学现如今成为公认的重要学科，您觉得它为什么能够如此快速地发展？A：“量子信息”发展如此迅速是因为它为人类社会提供了一种崭新的信息技术，其性能远远超越当下的信息技术。一旦量子技术广泛获得应用，人类社会生产力可以提升到新的水平。正是人类发展的重大需求促使量子信息迅速发展。

8Q：您在决定从事量子光学时，曾遭到很多质疑和反对的声音，那时很多人对“量子”都很陌生，您为什么想要研究“量子学“相关研究？现在回头看您觉得有哪些收获？

A：当一门学科刚萌芽时，多数人不理解，提出质疑甚至反对，这属于正常现象。现在回想起来，我当时一接触到“量子信息”就被深深吸引住，很快意识到这门新生学科有巨大的发展前景，便毫无犹豫地全力投入进去。之后越研究越感到其潜力巨大，并逐步地把握住量子信息技术发展的脉搏，提前布局，迅速做出前沿性成果，并形成当下实验室完整布局。

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Q：您曾培养了80余名博士生，您注重学生哪些能力的培养？您对他/她们的期望是什么？

A：科学研究要有积累和传承，我相信“量子信息”的发展需要几代人的共同努力，因此非常注重学生培养。目前已培养了80余名博士，其中5人荣获过百篇优秀博士论文。我在培养学生时特别注意①激发学生对科研的热情，并将科研作为终生奋斗的事业；②为学生选择国际前沿的课题，鼓励学生做出国际一流成果；③尽量为学生创造良好科研和生活条件；④确保实验室有良好的学术风气，培养学生实事求是的科学精神。将“品味科学”作为我们的座右铭。我期望在中国的土地上培养出国际一流的人才。

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Q：2017年，您与自己的学生、中国科学技术大学郭国平教授联合创立了合肥本源量子计算科技有限责任公司，这是中国第一家致力于量子计算机开发的公司，该公司取得了很多突破性成果，您能简要介绍一下吗？请您简谈一下科研和产业两者的关系？

A：本源量子计算公司是为将我们实验室十多年量子计算研究的成果开发为可实用的工程化量子计算机而创建的。其技术骨干是我们培养的量子计算博士。五年期间，已先后自主研发出24比特和64比特超导量子计算机（本源悟源），已交付用户使用。开发国内第一款司南操作系统、”本源天机“量子计算测控系统等一系列相关的量子器件；量子计算云平台正式上线，至今注册用户已达数千人。这是国内第一家全栈式工程化的量子计算公司，在国际上有一定影响。

量子信息技术的价值在于为人类社会提供性能优异的量子技术和器件。当我们在实验室研究中发现某些有望实际应用的新原理和方法后，就应尽快向实用方向推进。但是这个过程必须解决大量的技术和工程问题。这就需要大量的量子工程师，学校和研究单位只能有量子科学家的编制，建立公司却可以大量培养量子工程师，两股力量有机结合，是推进新器件研发和应用的最好途径。这是我们的体会。

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Q：您今年已入耄耋之年，是什么原因让您一直坚守在科研一线？

A：过了八十岁，我依然坚守在科研一线，主要原因是我内心执着于科学探索。奇妙的量子世界，会不断涌现出令人惊叹的新现象，让你回味无穷，无法释怀，从而更进一步激发起你的好奇心，欲罢不能！这种探索不受年龄限制，只要精神在，探索脚步就不会停。

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Q：您认为一名科研工作者必备的素质有哪些？

A：作为一名科研工作者必备的素质应该是：对探索大自然充满着热情；有良好的科学精神和素养；有坚韧不拔的意志，永不言败。

13Q：您人生的信条是什么？

A：我的人生信条是：真诚待人，纯真做事。
14Q：您平时有什么兴趣和爱好吗？A：兴趣和爱好：读书，听音乐。年轻时是排球、羽毛球、保龄球和长跑。现在是八段锦和散步。

趣

15Q：您对当代年轻科研工作者有什么建议和期待？A：当代年轻科研工作者应当珍惜当前得来不易的科研环境，有追求科学研究的热情，将个人目标与国家需求结合起来；应当具有实事求是的科学精神，为人类为国家贡献出人生的价值。