量子科學(xué)，爭奪未來不單有“情懷”

王煜

如今，量子科學(xué)是世界強國都在爭分奪秒不懈攻克的焦點，是“未來的科學(xué)”。在這一領(lǐng)域，中國已經(jīng)領(lǐng)跑世界。就在最近的2018年6月底7月初，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉帶領(lǐng)的團隊在國際上首次實現(xiàn)18個光量子比特的糾纏，再次刷新量子糾纏世界紀(jì)錄，也同步刷新了所有物理體系中最大糾纏態(tài)制備的世界紀(jì)錄。

這樣的成就，如何得來？“量子”這個看上去神秘高深的概念，何以變得越來越為常人可感可知？從中國科技大學(xué)副校長、著名物理學(xué)家潘建偉以及清華大學(xué)副校長、著名物理學(xué)家薛其坤這兩名中國量子科學(xué)領(lǐng)域代表的故事中，我們或許能一窺其中奧妙。

生命中的三個紀(jì)念日

北京時間2016年8月16日凌晨1時40分，全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”從酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射?！澳犹枴鄙蘸笠荒甑臅r間里，在世界上首次實現(xiàn)千公里量級的量子糾纏分發(fā)，并完成了從衛(wèi)星到地面的量子密鑰分發(fā)以及從地面到衛(wèi)星的量子隱形傳態(tài)，這標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域的研究在國際上達(dá)到全面領(lǐng)先的優(yōu)勢地位。

這樣優(yōu)勢的建立，與中國科學(xué)院院士、中國量子通信科研的領(lǐng)軍人物潘建偉密不可分?！霸谥袊藗兎Q他‘量子之父?！庇蹲匀弧冯s志發(fā)布的2017年全球十大科學(xué)人物榜單中，對入選的中國科學(xué)家潘建偉的第一句介紹這樣說?！澳犹枴鄙盏哪且惶?，也被潘建偉認(rèn)定為自己生命中的三個紀(jì)念日之一。

第二個紀(jì)念日，是1987年9月4日，他去中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系報到的日子。在那里，他開始了量子科研之路。回憶年輕時的求學(xué)經(jīng)歷，潘建偉說：“小學(xué)時寫拼音對于我來說是最折磨人的事情，但是后來我發(fā)現(xiàn)上了初中，沒想到還有這么簡單的學(xué)科，那就是物理?！?/p>

潘建偉首次讀到愛因斯坦的自傳小序時，覺得自己選的這條路是非常正確的。愛因斯坦在文章里提到：我們在世界上通過努力，填飽自己肚子是很容易的；但是如果僅僅滿足于此，而沒有其他的追求的話，恐怕不能成為一個獨立的人?！八f做物理方面的研究，其實是對自己心靈上的一種解放。這寫得太好了，就寫出我自己的心聲?！?/p>

從此愛因斯坦成為他的偶像。在本科畢業(yè)論文中，潘建偉選擇站在愛因斯坦一邊，集中研究、總結(jié)了量子世界的各種佯謬。但有意思的是，他此后二十多年的探索越來越給出證據(jù)：不相信量子奇妙的愛因斯坦，犯了錯誤。

2001年3月14日，這是潘建偉的第三個紀(jì)念日。這一天，潘建偉在中科大負(fù)責(zé)組建了量子物理和量子信息實驗室。這個愿望，在他1996年赴奧地利維也納大學(xué)，來到量子力學(xué)的世界級大師安東·塞林格的實驗室攻讀博士學(xué)位時就已經(jīng)立下。當(dāng)時，塞林格問他將來的打算是什么？潘建偉答道：“我希望能夠在中國建一個像你這樣世界一流的量子物理實驗室。”

觸動潘建偉做這件事的，是他在留學(xué)時看到的一部紀(jì)念中國“兩彈一星”元勛影片中的故事。“當(dāng)時一位老先生叫郭永懷，他因為飛機失事不幸遇難了。但是后來別人發(fā)現(xiàn)他和他的勤務(wù)員緊緊抱在一起，尸體都燒焦了，是為了什么呢？原來他為了保護在基地帶回來的數(shù)據(jù)。我當(dāng)時看到，真的是淚流滿面。我說一定要回去為國家做點事情?！?/p>

以這樣的情懷，加上“花10倍的時間做一件重要的事，比一倍時間做10件不重要的事情要好得多”的信念，潘建偉帶領(lǐng)他的團隊，在塞林格實驗室的單光子單自由度量子隱形傳態(tài)實驗之后18年，打破國際權(quán)威學(xué)者的“不可能”預(yù)言，實現(xiàn)了單光子多自由度的量子隱形傳態(tài)。接下來，還有一系列的突破，使中國在量子通信領(lǐng)域至少領(lǐng)先世界15年以上。

然而潘建偉并沒有滿足于“世界一流”。他提出，要把實驗室開成“百年老店”，如同德國馬普所、英國卡文迪許實驗室。

“百年老店首先要有一種傳統(tǒng)。如果就靠一個人，可能他在的時候做得比較好，慢慢他年紀(jì)大了，可能隊伍就萎縮了?！迸私▊ゴ叽賵F隊里的年輕人，趕緊開辟新方向，獨立開展工作，而不是由他繼續(xù)主導(dǎo)新方向的討論和選定。

潘建偉說，他特別希望再通過大概十年左右的努力，能夠讓量子通信走向千家萬戶，讓大家能夠感受到它的用處?！拔覀冊谄疵刈?，在努力地做，如果做成，也許可以成為下一個值得紀(jì)念的日子。”

兩次39分與“7-11”

日常生活中，人們使用電腦時會遇到機器發(fā)熱、能量損耗、速度變慢等問題，這是因為常態(tài)下芯片中的電子運動沒有特定的軌道、相互碰撞從而發(fā)生能量損耗。而量子“霍爾效應(yīng)”則可以對電子的運動制定一個規(guī)則，讓它們在各自的“跑道”上規(guī)律地高速前進，解決上述問題。

然而，量子霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生需要非常強的磁場，相當(dāng)于要外加10個計算機大的磁鐵，這不但體積龐大，而且價格昂貴，不適合個人電腦和便攜式計算機。不需要外磁場的量子霍爾效應(yīng)，也就是“反?；魻栃?yīng)”，該理論被提出后的130多年來，人們一直未能找到能實現(xiàn)這一特殊量子效應(yīng)的材料體系和具體物理途徑。

2013年4月10日，中科學(xué)院院士、清華大學(xué)的薛其坤帶領(lǐng)他的團隊在北京宣布，首次從實驗中觀測到量子反?；魻栃?yīng)。美國《科學(xué)》雜志對該發(fā)現(xiàn)的論文給出評價：“這篇文章結(jié)束了對量子反?；魻栃?yīng)多年的探尋，這是一項里程碑式的工作?！敝Z貝爾物理獎得主、清華大學(xué)高等研究院名譽院長楊振寧評價其為“諾貝爾獎級的發(fā)現(xiàn)”。這項重大基礎(chǔ)物理學(xué)成果，被認(rèn)為“很可能引發(fā)一次信息技術(shù)革命”。

薛其坤年少時，從來也沒有想到過將來自己會成為物理學(xué)家。從山東大學(xué)本科畢業(yè)后，他被分配到曲阜師范大學(xué)物理系，后來一心想報考哈工大的研究生，也只是因為覺得讀研究生之后能做科學(xué)家、搞研究，很神圣很幸福，他是懷著一顆對科學(xué)樸素向往的初心。

然而，第一年考研，他的高等數(shù)學(xué)只考了39分。兩年后，他報考中科院物理所，但物理也只得了39分。他沒有放棄，再次嘗試，終于考入中科院物理所。

幾年后，薛其坤赴日本仙臺的東北大學(xué)研究所讀博，他的生命發(fā)生了重要轉(zhuǎn)折。身在他鄉(xiāng)、語言不通、沒有朋友、家人相隔，這些都還不算什么。對他最大的考驗是博導(dǎo)櫻井利夫極其嚴(yán)格的治學(xué)方式，這個實驗室的規(guī)矩是：每個人每周都要工作6天，早上7點來實驗室，晚上11點之前不許離開，不然，導(dǎo)師的臉色會非常難看。這就是“7-11”。

薛其坤回憶說：這讓他有了徹頭徹尾的改變，從“自由散漫”，變成像時鐘一樣準(zhǔn)確的作息。他的生活在強大的外壓下變得極其簡單，每天都是實驗室和宿舍“兩點一線”，整個人的身心一下子都撲到了科研上。

他說：“那時候，每天就是三件事，吃飯、睡覺、搞科研。太困了，就坐在公共衛(wèi)生間的馬桶上，悄悄瞇一會兒?！彼杏X異常孤單，跟家人通電話，幾乎要落淚。剛到日本時，他一年中會有七八個月是想放棄、想回國、想回家。

在這種考驗下，薛其坤終于在博士讀到第六年的時候，開始接近最初的夢想——實驗取得了一定成果，他也開始體會到科學(xué)研究的美妙。“你要想讓自己真正的快樂，你必須追求極致。”回首那段時光，薛其坤感慨。

1999年，七年的博士求學(xué)結(jié)束后，入選中科院“百人計劃”的薛其坤回國。接下來的20年里，他繼續(xù)保持著“7-11”的作息規(guī)律，沒休息過一個完整的假期和周末，每年平均工作時間在330天以上，每天工作時間在15小時左右，年平均工作時間高達(dá)5000小時。

在宣布觀測到量子反?；魻栃?yīng)之前，薛其坤和他的團隊經(jīng)歷了四年的不斷嘗試與不斷失敗。薛其坤常常給團隊打氣說：“全世界都試圖攻克這個難題，我們必須要抓緊時間！科學(xué)發(fā)現(xiàn)特別是重要發(fā)現(xiàn)，只有第一，沒有第二，我們只有沖，沒有退路！”

在他看來，除了科研，當(dāng)一名大學(xué)老師更重要的是對學(xué)生價值觀的塑造，要盡一切可能，培養(yǎng)對社會有用的、正能量的人才。

薛其坤沒有規(guī)定他的學(xué)生必須要完全遵守“7-11”的作息，但是對他們在學(xué)術(shù)規(guī)范、學(xué)術(shù)態(tài)度上的訓(xùn)練，絲毫也不含糊。如果有學(xué)生犯了錯，他嚴(yán)肅批評教育，把犯錯誤的原因分析清楚，讓學(xué)生發(fā)自內(nèi)心地理解。甚至連學(xué)生論文中多出來的空格、錯用的標(biāo)點符號他都會一一指出，手把手地分析如何改正。有人說這樣很浪費時間，但他并不認(rèn)同，在他心中，對學(xué)生的教育沒有“浪費”之說。

關(guān)于未來，薛其坤希望能在有生之年解決高溫超導(dǎo)機理這個世界性的難題。在其他人眼中，薛其坤41歲就當(dāng)選中科院院士，做出重大發(fā)現(xiàn)，是不折不扣的天才；但在他自己眼里，這些不過是因為他比其他人都更能拼上性命努力罷了。