郭光燦:走在量子光學的最前沿

2021-01-20 光行天下

1942年,郭光燦出生於福建省一個漁民家庭。父親用一隻小木船運貨,艱難維持著全家五口人的生計。他三歲那年,父親被日本人抓去做苦工,結果一去不返,在船上生病客死海外。含辛茹苦的母親,獨自一人撫養郭光燦三兄弟長大。

儘管家境十分窘迫,但目不識丁的母親還是堅持送三個孩子去學堂念書。郭光燦天資聰穎又酷愛讀書,家裡人看到他成績優秀,就全力支持他一直念下去。1958年初中畢業時,他被保送升入重點高中泉州五中。

入高中時,恰逢「大躍進」在全國轟轟烈烈展開。「教育也要大躍進。」郭光燦回憶,學校考試選拔出成績較好的一批同學,組成兩個理工班,「要求三年的功課兩年完成」。

郭光燦思忖,少讀一年書就能省下很多錢,於是毅然選擇了理工班。而在此前,少年郭光燦還曾夢想著「將來長大了能當一名作家」。

兩年後的1960年,郭光燦參加全國統一高考,第一志願報考留蘇預備班,第二志願為中國科技大學。後因中蘇關係緊張,留蘇政策變動,他未能如願踏上蘇聯之旅,而是邁入了中科大的校門。



郭光燦(光行天下配圖)

「因為當時想學半導體,就報考了中科大無線電系。」郭光燦的這一選擇可謂陰差陽錯,進了校門他才知道,科大的半導體專業設在物理系,而不是像他所知道的北大半導體物理專業歸在無線電系。

人生重大選擇中出現的這一段「小插曲」,並未在郭光燦心裡掀起波瀾。他坦陳,當時所謂的專業興趣其實很模糊,認識也很片面,更多是對一門新學科的單純嚮往。既來之則安之,他也深知,努力學習才是要緊事。

1960年,世界上第一臺雷射器問世。不久之後,中科大無線電系設立氣體雷射新專業,郭光燦對此方向產生了興趣,決心鑽研下去。也是由此開始,他與光學結緣。

「我這輩子最幸運的一件事,就是考入了中科大。」郭光燦對自己的大學時光感念至深。嚴濟慈、錢學森等老一代著名科學家都對中科大投入過極大的感情和心血,有幸聆聽他們的教誨,讓郭光燦受益一生。

郭光燦體會到,這些留洋歸來的老科學家經歷過舊中國的貧窮落後,非常希望年輕一代能夠承擔起民族復興的歷史責任。「所以那個時候的中科大,男孩子就立志做牛頓、愛因斯坦,女孩子的目標就是居裡夫人。」雄心壯志之外,郭光燦還從這些一流科學家身上學到了做學問的思維方法和學術理念。1965年,郭光燦畢業後留校任物理系助教。然而,他潛心科研、獻身科學的願望很快被接連而至的政治運動打斷。

科研工作恢復後,郭光燦首先重拾起氣體雷射研究。上世紀70年代以來,氦氖雷射器、二氧化碳雷射器、氬離子雷射器是氣體雷射的「老三樣」,全國有很多研究單位都在做。郭光燦覺得,自己應該找一個新方向,不能跟在人家後面作重複研究。

經過一番調查,郭光燦發現氮分子氣體雷射器是當時國內的一個空白領域,它所產生的紫外雷射有很多新用途,也可以做其他染料雷射器的泵浦。「國外老早就做出來了,我們差得很遠。」郭光燦決定從此處入手,獨闢蹊徑。

當時科研剛剛恢復,各種條件和設備都還很落後,買器件、焊鐵架、搭結構、做實驗……每一件小事郭光燦都要親力親為。雖然非常艱苦,但沒用多久,我國最早的氮分子雷射器就研發成功。1978年,這項成果被評為全國科學大會獎。

「這個獎是為了鼓勵大家。事實上,我們的水平實在太低了,只能算『矬子裡面拔將軍』。」研發雷射器的經歷,讓郭光燦認識到,「文革」後百廢待興,國家沒有條件進行大量的科技投入,做實驗研究將難上加難。

據此判斷,郭光燦決定轉向理論研究。這成為他學術生涯的一個重要轉折點。

在光學領域有多年積累的郭光燦找了一個「冷門」——量子光學。當時,這個方向並不被國內學者看好,認為用經典理論解決光學問題就足夠了,量子光學不會有太多理論內容,沒有前景。

「比我有名的很多人都說這個方向沒有用,因此國內幾乎沒有人考慮用量子理論解決光學問題。但是我覺得,這裡面應該很有趣。」郭光燦堅持要劍走偏鋒,就奔著自己的興趣愛好做下去。

1981年,郭光燦前往加拿大多倫多大學物理系做訪問學者,他婉拒了跟隨導師從事實驗研究的邀請,執意要作量子光學研究。

「到了國外我才發現,量子光學的基本理論框架人家都做得很成熟了。」郭光燦看到,國內無人關注的量子光學已經與國際前沿有了近20年的差距。

參加量子光學領域的一次國際會議時,郭光燦聽到有學者介紹「光場壓縮態」。「這個名詞我從來都沒有聽說過。」郭光燦意識到,既然有新生方向的出現,就說明量子光學的前沿還在不斷發展。雖然國內外差距很大,理論也趨於成熟,但他沒有死心,覺得應該做下去。

郭光燦回憶,他回國前夕曾跟幾位中國學者和學生聊至深夜,就是討論如何發展國內的量子光學,發奮改變落後局面。「當時大家都是血氣方剛的年輕人,似乎感覺到一種歷史使命就落在我們肩上。」

回國後,郭光燦馬上全身心投入到量子光學學科的建設中。1984年,他依靠學校支持的2000元錢,在歐陽修筆下的那個琅琊山醉翁亭,主持召開了全國第一個量子光學學術會議。

「來了一些對量子光學感興趣的人,但大家對很多概念都還搞不懂。」郭光燦回憶當時的會議情形時說,大家取得的共識是,都認為這個會應當堅持開下去。

郭光燦主持發起的量子光學會議一直持續至今,以此為基礎,後來又成立了量子光學專業委員會。就靠著這個學術活動,我國量子光學領域的研究隊伍慢慢壯大起來,學科也得以迅速發展。

除此之外,郭光燦還在國內開了第一門量子光學課程,講義於1991年集結出版。這本國內量子光學的「啟蒙教科書」成為經典教材,為學科發展起到奠基作用。

「不光要自己的研究作好,還要引領出一個隊伍。」郭光燦說他回國後,一直秉持著這樣的理念來做事,希望能夠吸引更多的人共同參與,提升整體學科的水平。

習慣於不走尋常路的郭光燦洞察到,量子光學的發展必然將走向量子信息。這一交叉學科形成的「新生長點」,將是我們趕超國外的重要機遇。

無疑,郭光燦有著敏銳的學術嗅覺,他稱之為「科學價值的鑑賞能力」。如同對一件藝術品的鑑賞,需要分辨出科學進展中最有趣、最具本質意義的新事物。

「在出現苗頭時發現它,如果未來可能變成大樹,就一定要關注。」郭光燦對於科學價值的鑑賞總是著眼於未來。在他看來,開拓新的學科生長點,遠比跟隨當前的某些國際學術熱點更為重要。

可是,要開拓新領域談何容易?郭光燦告訴記者,剛開始接觸量子信息時,困難和問題接踵而至。「我們懂得量子,但不懂信息。經典信息理論都不懂,怎麼辦?」他去請教信息學院的老師,帶著幾個學生從最基礎的理論開始學習、鑽研。

1997年,孤軍奮戰的郭光燦完成了該領域的第一項重要工作——量子編碼。「量子性是量子信息中最為關鍵的特徵,但它非常脆弱,極易受到環境破壞。」郭光燦解釋道,「因此,如何保住量子性是首要問題。這個解決不了,一切都是紙上談兵,實驗上無法實現。」

量子性需要量子編碼來保護。國際上有三種公認的量子編碼原理:量子糾錯碼、量子避錯碼、量子防錯碼。其中,世界上第一個做出量子避錯碼的,正是郭光燦和他的學生團隊。他們的成果發表後,曾引起國際轟動。

此後,郭光燦團隊又首先在國際上提出量子概率克隆原理,成為我國科學家在此領域的又一項開創性貢獻,被稱為「段—郭概率克隆機」、「段—郭界限」。

「當時在非常前沿的新學科中,中國人能夠發出如此重要的聲音,著實令外國人吃驚。」郭光燦對自己艱苦數年所取得的成就,有足夠自豪的理由。

儘管郭光燦的工作引起國際轟動,但仍然沒有引起國內同行的重視。「團隊中只有研究生,也沒有太多經費支持。」他覺得冷板凳不能這樣坐下去,量子信息領域必須「長成大樹」。

在這個節骨眼兒上,郭光燦知道,量子信息學科要對國家和社會有所貢獻,最終必然走向應用,因此研究也必須從理論轉向實驗。「量子計算機、量子密碼、量子網絡等等,如果沒有這些誘人的應用前景,學科不會有大發展。」

量子信息發展需要得到科技管理部門的支持和重視,但無奈當時整個學術界並不看好。

「因為他們對這個領域缺乏了解。」在郭光燦看來,通常是國際上很熱門的學科,國內學術界才會趕緊跟上,也會得到支持,「老覺得熱門的東西是前沿,事實上那只是當時的前沿。而我要做的,是未來的前沿」。

在郭光燦的科研理念中,在一個學科方向還比較「冷」的時候參與進去,才有更大的發揮空間,「話語權才會更重,成果影響才會更大」。

人物百科

郭光燦,1942年12月出生,漢族,籍貫福建惠安。中國科學技術大學教授。1965年7月畢業於中國科學技術大學無線電電子學系。1981年9月-1983年9月在加拿大多倫多大學做訪問學者。從2005年1月起被聘為北京大學物理學院兼職教授。2003年當選為中國科學院信息科學學部院士,2009年當選為第三世界科學院院士。

現任中國科學院中國科學技術大學量子信息重點實驗室主任、物理系教授;中科院方向性項目首席專家,國家科技部973項目「量子通信和量子信息技術」的首席科學家。北京大學物理學院、中科院-北京大學超快光科學和雷射聯合中心雙聘院士。華南師範大學雙聘院士。




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