探寻“诡秘”的量子世界物理学家不懂量子物理

——中科院量子信息重点实验室巡访

郭光灿(中)与李传锋(左)、黄运锋一起讨论实验问题。

中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室孙方稳研究组,在国际上首次利用量子统计测量技术实现了不受传统光学散射极限限制的相邻发光物体的测量和分辨,其精度可以达到纳米量级。研究成果49日发表在《物理评论快报》上。

■记者 王静

当记者第一次走进中国科学院量子信息重点实验室(简称量子信息重点实验室)接触“量子物理”这一词汇时,特别渴望研究人员能给予一个通俗易懂的解释。他们“诡秘”且令人忍俊不禁地给出了这样一个答案:“如果有人告诉你,他能清楚地描述什么是量子物理,那么他一定不是物理学家。”这个“解释”让记者差点儿“晕过去”。

自德国物理学家麦克斯·普朗克在1900年提出“量子”这一概念后,百余年来,经过爱因斯坦、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等大师级物理学家的研究,人类发展建立了量子物理学。然而,直到20世纪末,这些最伟大的物理学家中没有人真正理解这个体系的真谛,并一直为此争论不休。

面对如此诡秘的科学,中国科学家有着怎样的思考与行动呢?

中国量子信息科学研究的开创者、中国科学院院士、中国科学院量子信息重点实验室主任郭光灿向记者道出其中原委以及一些新思考。

“我现在正在布局一个新的研究方向。”

他介绍,量子幽灵纠缠的根本原理,在量子力学诞生的100多年里并没有得到合理解释。哥本哈根学派的“互补”经典解释,只是自圆其说,科学上站不住脚。只因没有更好的解释,一直沿用至今。

虽然过去的100年没弄清楚量子的真谛,但当今这100年、今后的100年,量子不会维持原样。

振奋的实验

“量子信息提供了纠缠实验方法,使人们得以进一步了解量子世界的本质。目前,科学家们除了可利用量子技术造福人类之外,还能对量子世界的本质有更深了解,与波尔时代不同。”郭光灿介绍,“量子信息重点实验室将布局一个可能久远的项目研究,这源于实验室的最新突破,即波尔互补原理,也就是关于光的波粒二象性认识的突破。”

他阐释,光子的波粒二象性在经典物理中非常令人烦恼。其波动性能量是离散分开的,而粒子的能量集中在一点,不可分割。这两种性质在经典物理中互相矛盾。波尔解释,波粒二象性对立互补,如同是一枚硬币的两面。你只能看到其中一面,不可能同时看到另一面。波尔如此自圆其说。

令人振奋的是,量子信息重点实验室李传峰研究小组开展的一项实验,同时看到了光子的波动性和粒子性,研究论文于20129月发表在《自然—光学》上。

“波尔把问题放在经典物理学角度观察,要么看到波动性,要么看到粒子性。因为,他戴着经典的‘眼镜’。现在,我们实验室戴着量子的‘眼镜’,对事物看得更加真切。那么,相对论和量子力学能否共存?相对论的成功,在于黑洞能够证明它。量子力学如今也很成功。但这两种理论相互矛盾,不兼容。所以,我们将搭建一个平台,尝试让相对论和量子论同台PK。期待以此深入认识量子世界。”他说。

艰难的起步

中科院量子信息重点实验室成为当今国际量子研究舞台上的重要一员,与中国改革开放密不可分。“经过多年艰苦跋涉,中国在量子信息领域比西方起步虽然晚了20年,但今天,中国在这个领域没有输给西方!”郭光灿倍感自豪和欣慰。

改革开放之初,邓小平访美后,中国科学界一改以往关门造车搞科研的状态,努力与世界接轨。1981年,郭光灿通过考试被公派到加拿大访问学习。在多伦多大学,他了解了量子光学领域的国际最新进展。他发现,关于量子光学,发达国家已开展了20年研究。作为中国人,他渴望改变中国科技的落后状态。

1984年,郭光灿回国。他用3000元组织召开了中国第一个量子光学会议。那时,与会者大多不曾开展过量子光学研究,但会议成为中国量子光学的起点。该会议此后每两年召开一次,延续至今。

在那个年代,郭光灿只有一台“386”计算机,而且在此后漫长的15年中,仅获得了国家自然科学基金每年2万元的经费支持。

尽管费用捉襟见肘,郭光灿依然带领学生在量子光学理论研究方面取得了非凡成果。他们在世界上首次研究成功“概率量子克隆”和“量子避错编码”两项成果。相关论文在国际刊物发表后,被认为是“该领域最激动人心的进展之一”,被美国若干著名实验室在实验中证实。

为了让更多人了解量子信息,郭光灿把量子信息的研究推上了香山科学会议,使量子信息广为科学界知晓。

2001年,一次契机又促使郭光灿致信时任中国科学院院长路甬祥,使其了解这一前沿。不久后,郭光灿获得了中科院基础局5万元经费支持,中国科技大学量子信息实验室得以成立。

组建实验室后,郭光灿开始组织团队在进行量子信息理论研究的同时,进行实验研究。2001年,他成功申请国家“973”计划项目,担纲首席科学家。

郭光灿会聚了国内十多个研究所和大学的50多名研究人员参与该项目,使这个项目的实施成为我国量子信息蓬勃发展并在国际学术界占有一席之地的第一个里程碑。

在随后的中科院实验室评估中,量子信息实验室名列第一,被破例升格为中科院重点实验室。

强大的量子

郭光灿表示,中国将在20年内占领量子计算机研究的制高点。他希望,量子信息重点实验室不仅在基础研究上有所突破,同时在量子计算机研究方面也有所作为。

1994年,贝尔实验室的专家彼得·肖尔(Peter Shor)证明,量子电脑能进行对数运算,速度远胜于传统电脑。因为量子不仅能够像半导体一样记录01,还能同时表示多种状态。如果把半导体看作单一乐器,量子电脑就是交响乐团。

对于电子计算机与量子计算机的差异,郭光灿用了另外一个比喻:在量子计算机面前,电子计算机大约相当于算盘。1994年,研究人员曾采用1600台工作站实施经典运算,用8 个月将数长为129位的大数成功地分解成两个素数相乘。若采用一台量子计算机,大约1秒钟就能完成该运算。

因此,量子计算机将是一场划时代的科学革命。量子计算机能解决电子计算机难以或不能解决的某些问题,为人类提供一种性能强大的新型模式的运算工具,将全方位大幅推进各领域研究。

一旦掌握这一强大的运算工具,人类无疑将开启一个新时代,这也是中科院量子信息重点实验室的新使命。

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