量子世界裡的“牧羊人”——專訪中國科學技術大學郭光燦院士
原文轉自中國光學微信公衆號
不久前，諾貝爾物理學獎授予了法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實驗物理學家約翰·克勞澤（John f. Clauser）和奧地利物理學家安東·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他們在量子信息科學研究方面所作出的貢獻，這也意味着人類正在進入全新的量子信息時代。而在中國有這樣一位科學家，他從上個世紀80年代開始便率先在中國扛起量子研究的大旗，在這片量子光學和量子信息學發展還很貧瘠的土地上“開荒”“耕耘”，他就是郭光燦院士。
“昨夜西風凋碧樹。獨上高樓，望盡天涯路”。他以興趣爲起點，以科學家責任爲擔當，挑戰人生第一道門檻——量子光學。那時在中國，量子光學還是無人問津的領域，他冒着科研生涯“竹籃打水一場空”的風險，頂着否定和懷疑，甘當冒險者，在近60年的歲月長河中培養了35屆學生，發起中國第一屆量子光學會議，加快了中國量子光學發展的腳步。彼時的他是蒼茫量子大地上孤獨的“牧羊人”。
“衣帶漸寬終不悔，爲伊消得人憔悴”。90年代初，他以敏銳的目光將研究聚焦在量子信息這一“小荷才露尖尖角”的領域，挑戰人生第二道門檻——量子信息學，試圖尋找新的突破點和方向，推動中國在這一新興交叉學科的領域拔得頭籌，站穩腳跟。如今，中國在量子優盤、量子芯片等方面的研究居世界前列，中國量子信息的研究實現了與國際同行並駕齊驅的局面。此時的他是等到寒冬融化了牧場的“牧羊人”。
“衆裡尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”。如今已入耄耋之年的他開始挑戰人生的第三道門檻——揭秘經典世界和量子世界的奧秘。科學的魅力在於下一秒的未可知，如今的他依然樂此不疲地奮戰在科研一線，做科普，教學生。現在的他是吹開了笑臉的“牧羊人”。
接下來，請跟隨“Light人物”，一起走進神秘莫測的“量子世界”，感受量子帶給我們的科學之美。
郭光燦 教授
郭光燦，中國量子光學和量子信息科學的開拓者、先行者與奠基人。中國科學院院士、第三世界科學院院士、中國科學技術大學教授、中國光學學會前理事長。1965年郭光燦從中國科學技術大學本科畢業後留校任教；1981年至1983年作爲訪問學者，前往加拿大多倫多大學學習；2003年當選爲中國科學院院士；2009年當選爲第三世界科學院院士。20世紀80年代，郭光燦率先將量子光學理論體系引入國內。20世紀90年代，郭光燦又率先將目光投向量子信息領域，承擔國家“973計劃”項目，使量子信息科學在中國獲得了長足發展。他曾提出概率量子克隆原理，推導出最大克隆效率，在實驗上研製成功概率量子克隆機和普適量子克隆機。2021年，郭光燦憑藉《基於量子信息技術研究量子物理基本問題》獲得2020年度國家自然科學獎二等獎。
採訪對象：郭光燦（中國科學技術大學）
採訪人：王卉
原文信息： https://doi.org/10.1038/s41377-022-01045-7
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Q： 作爲中國量子領域的開拓者和發展人，您能簡要介紹一下您的研究方向和內容嗎？
A： 我於80年代初開啓了量子科學的研究征途，最初十年主要從事量子光學基礎研究，九十年代初跨進到量子信息領域，並逐步建立充滿活力的研究團隊，創建了中國第一個省部級量子信息重點實驗室。主要研究方向和內容包括：
① 量子計算。基於半導體、超導、離子阱和光學系統等研製專用的量子模擬和通用量子計算機；
② 量子糾纏網絡。研製量子光源、量子通道、量子存儲器等。實現量子中繼和量子優盤，構建大尺度量子網絡；
③ 量子精密測量。利用固態自旋和冷原子系綜等研製高精密的量子傳感和量子探測裝置。研製集成的量子芯片；
④ 實用化量子密碼。研製高效、實用、安全的量子密碼系統，探索新型的量子密碼體系；
⑤ 量子物理基本問題。理論上研究量子信息和量子物理的基本問題，並使用量子信息技術進行實驗探索。
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Q： 您和段路明發表了中國物理學家關於量子研究的最早一批論文。1997年您在《物理評論快報》發表的論文中提出“通過比特配對來保持量子計算中的相干性”的方案。一年後，您提出的概率量子克隆原理，被稱爲“段-郭克隆機”，震驚了國際量子光學界。據我所知，您的學術之路並非一帆風順，那您在探索道路上遇到了哪些困難？克服這些障礙對量子光學的發展有什麼意義？
A：無論是開啓量子光學還是繼後的量子信息研究，當時在國內學術界都屬“冷門”，很難得到理解和支持，甚至被扣上“僞科學”的帽子。坐了二十年“孤獨無援”的冷板凳，一直到2001年獲得科技部第一個“973”項目才獲得轉機。量子信息技術沒有國家經費的支持是不可能獲得重要進展的。
我研究量子光學的動機主要是個人對量子科學的興趣。當我看到量子信息技術對提升國力和民族復興有着極其重要的作用，尤其是量子計算必將成爲國際戰略競爭的焦點，雖然大衆極不理解，但是我有責任努力去爭取學術界和領導決策層的理解和支持，推動中國儘快投入到這個新興交叉學科的競爭，發出中國人的聲音。科技部自此之後就一直關注和支持量子信息領域的發展。我作爲第一個“973”項目的首席科學家，也儘可能去團結國內相關學術隊伍，這個項目先後培養了量子信息領域的五位院士。因此，我認爲，2001年是中國量子信息發展的轉折點。
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Q：2000年，您和團隊憑藉“利用光腔製備兩原子糾纏的方案”研究再次引起世界矚目，法國物理學家塞爾日·阿羅什(Serge Haroche)因驗證該試驗，證明了分離單個離子和光子是可能的，而被授予2012年諾貝爾物理學獎。您認爲此方法的重要意義是什麼？
A： 法國科學家塞爾日·阿羅什獲得2012年諾貝爾物理學獎，是因爲他第一個在實驗上成功地調控單個原子，從而開啓了“量子調控”新時代。我們的理論方案是製備兩個原子糾纏的有效途徑。阿羅什用他的實驗方法和技術採用我們的方案製備了兩原子糾纏態。這是他量子調控成功的佐證之一。
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Q：不久前，您第一次在毫米量級的宏觀世界裡沒有漏洞地驗證了LG（Leggett-Grag）不等式，對量子力學發展的第二次革命產生了重大影響，從量子光學到量子信息學再到量子力學，您是如何做到無縫銜接的？這項成果對量子力學的發展有什麼意義？
A：量子光學是研究光與物質相互作用的全量子理論，它將量子力學應用到光學領域，80年代這個學科已經十分成熟，但國內因爲各種原因對量子光學知之甚少，我們的工作只是填補了國內的空白，將量子光學應用到物理學各領域，同時培養一支量子光學的科研和教學隊伍。量子信息是將量子力學應用到信息領域，在這個新興交叉學科發展初期，信息載體多數是光場，我們及時將成熟的量子光學理論應用到量子信息的研究中，很快就取得了一系列重要進展。量子信息其後的發展就逐步擴展到原子、凝聚態領域。而當量子信息技術發展較爲成熟後，我們又將該技術反過來應用於研究量子世界的奧秘，發現許多新的量子現象。無漏洞地驗證LG不等式就是其中的成果之一。這些研究加深了人們對量子力學的理解，有力地推動着量子力學更深刻地發展。
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Q： 如今“量子優盤”的概念非常火，您能簡要向我們介紹一下它的工作原理嗎？它的出現會引起哪些變化？
A： “量子優盤”工作原理：將欲傳遞的量子信息存儲在“優盤”裡，然後運用傳統的運輸工具，如高鐵、汽車、飛機等將“量子優盤”運送到接收地方，取出其中的信息。這種遠程傳送量子信息的方法可以彌補光纖遠程量子通信的不足，它無需糾纏源和量子中繼，而且可以傳送到無光纖端口的地方，是種新穎的遠程量子通信方案。
當然要實現這種遠程量子通信，“量子優盤”必須達到若干性能指標：存儲時間應大於一個小時。目前我們的相干光存儲已達到一個小時，甚至有望達到25小時，進一步實現單光子存儲；存儲器的存儲模式應足夠多；保真度要足夠高等。進一步的發展應當實現兩個量子優盤的糾纏，將其中一個優盤傳送到對方，這可確保信息傳輸的安全性，因爲即使這個優盤被竊聽者盜走，它也無法取出所傳輸的任何信息。
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Q： 由您倡議並首次組織發起的量子光學會議從初建時的十幾人到現在已經發展成爲500人以上的科學大會，爲量子學領域的學者提供了學習和分享交流的機會，您當初爲什麼想要舉辦這個會議？它的發展軌跡達到了您的預期了麼？
A： 我之所以在80年代發起和組織“量子光學會議”，是因爲我意識到“量子光學”是門重要的基礎性學科，不僅對光學領域甚至對整個物理學都極其重要，必須儘快介紹給國內學術界，推動量子光學在國內發展。1984年在安徽琅琊山種下“量子光學”的種子，之後每兩年召開一次全國性學術會議，吸引越來越多的年輕人加入量子光學隊伍。尤其是量子信息誕生後，量子光學在其中發揮了舉足輕重的作用，研究隊伍迅速擴大，各高校陸續開設“量子光學”課程。“量子光學”在國內很快生根結果，呈現一派生機盎然的前景，達到了我當初的預期。
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Q： 量子學現如今成爲公認的重要學科，您覺得它爲什麼能夠如此快速地發展？
A： “量子信息”發展如此迅速是因爲它爲人類社會提供了一種嶄新的信息技術，其性能遠遠超越當下的信息技術。一旦量子技術廣泛獲得應用，人類社會生產力可以提升到新的水平。正是人類發展的重大需求促使量子信息迅速發展。
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Q： 您在決定從事量子光學時，曾遭到很多質疑和反對的聲音，那時很多人對“量子”都很陌生，您爲什麼想要研究“量子學“相關研究？現在回頭看您覺得有哪些收穫？
A：當一門學科剛萌芽時，多數人不理解，提出質疑甚至反對，這屬於正常現象。現在回想起來，我當時一接觸到“量子信息”就被深深吸引住，很快意識到這門新生學科有巨大的發展前景，便毫無猶豫地全力投入進去。之後越研究越感到其潛力巨大，並逐步地把握住量子信息技術發展的脈搏，提前佈局，迅速做出前沿性成果，並形成當下實驗室完整佈局。
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Q：您曾培養了80餘名博士生，您注重學生哪些能力的培養？您對他/她們的期望是什麼？
A： 科學研究要有積累和傳承，我相信“量子信息”的發展需要幾代人的共同努力，因此非常注重學生培養。目前已培養了80餘名博士，其中5人榮獲過百篇優秀博士論文。我在培養學生時特別注意①激發學生對科研的熱情，並將科研作爲終生奮鬥的事業；②爲學生選擇國際前沿的課題，鼓勵學生做出國際一流成果；③儘量爲學生創造良好科研和生活條件；④確保實驗室有良好的學術風氣，培養學生實事求是的科學精神。將“品味科學”作爲我們的座右銘。我期望在中國的土地上培養出國際一流的人才。
圖1：郭光燦教授在授課
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Q：2017年，您與自己的學生、中國科學技術大學郭國平教授聯合創立了合肥本源量子計算科技有限責任公司，這是中國第一家致力於量子計算機開發的公司，該公司取得了很多突破性成果，您能簡要介紹一下嗎？請您簡談一下科研和產業兩者的關係？
A：本源量子計算公司是爲將我們實驗室十多年量子計算研究的成果開發爲可實用的工程化量子計算機而創建的。其技術骨幹是我們培養的量子計算博士。五年期間，已先後自主研發出24比特和64比特超導量子計算機（本源悟源），已交付用戶使用。開發國內第一款司南操作系統、”本源天機“量子計算測控系統等一系列相關的量子器件；量子計算雲平臺正式上線，至今註冊用戶已達數千人。這是國內第一家全棧式工程化的量子計算公司，在國際上有一定影響。
量子信息技術的價值在於爲人類社會提供性能優異的量子技術和器件。當我們在實驗室研究中發現某些有望實際應用的新原理和方法後，就應儘快向實用方向推進。但是這個過程必須解決大量的技術和工程問題。這就需要大量的量子工程師，學校和研究單位只能有量子科學家的編制，建立公司卻可以大量培養量子工程師，兩股力量有機結合，是推進新器件研發和應用的最好途徑。這是我們的體會。
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Q：您今年已入耄耋之年，是什麼原因讓您一直堅守在科研一線？
A：過了八十歲，我依然堅守在科研一線，主要原因是我內心執着於科學探索。奇妙的量子世界，會不斷涌現出令人驚歎的新現象，讓你回味無窮，無法釋懷，從而更進一步激發起你的好奇心，欲罷不能！這種探索不受年齡限制，只要精神在，探索腳步就不會停。
圖2：郭光燦院士在固態量子存儲實驗室與劉超博士後探討量子中繼實驗
圖3：郭光燦院士在半導體量子芯片實驗室與曹剛教授討論交流
圖4：已經80歲的郭光燦院士仍堅守在科研一線
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Q：您認爲一名科研工作者必備的素質有哪些？
A：作爲一名科研工作者必備的素質應該是：對探索大自然充滿着熱情；有良好的科學精神和素養；有堅韌不拔的意志，永不言敗。
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Q： 您人生的信條是什麼？
A： 我的人生信條是：真誠待人，純真做事。
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Q： 您平時有什麼興趣和愛好嗎？
A： 興趣和愛好：讀書，聽音樂。年輕時是排球、羽毛球、保齡球和長跑。現在是八段錦和散步。
圖5：讀書是郭光燦院士最大的興趣
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Q： 您對當代年輕科研工作者有什麼建議和期待？
A： 當代年輕科研工作者應當珍惜當前得來不易的科研環境，有追求科學研究的熱情，將個人目標與國家需求結合起來；應當具有實事求是的科學精神，爲人類爲國家貢獻出人生的價值。