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潘建伟:与爱因斯坦之谜“纠缠”

2004-08-01科技日报本文被阅读过10493次[推荐][打印][保存][大字体][中字体][小字体]

   在科幻小说《星际旅行》的故事中,星球战士从某一地点突然消失,而瞬间地出现在遥远的另一点。现实生活中,我们可以办到吗?“积以时日,能够传送人类本身。”潘建伟为我们描述出一幅美好的图景——他就是在国际上首次取得五粒子纠缠态的制备与操纵的中国青年科学家。

 

    采访手记:

  粒子中出现的“纠缠”现象,被爱因斯坦称之为“遥远地点间幽灵般的相互作用”,中国科技大学潘建伟教授始终在和爱因斯坦的这一未解之谜“纠缠”,他和他带领的团队为期三年的不懈努力探索表明,我国对粒子“纠缠”的这一科学研究,已经成功超越了美国、英国、奥地利等发达国家,进入了国际先进水平。

    今年才三十四岁的潘建伟获得如此骄人的成绩,他的成功有什么奥秘和诀窍?为了打开人们心中的谜团,本报记者也先后几次对潘建伟进行了“纠缠”。

    五粒子其实不是五骰子 

    7月1日,国际权威学术刊物《自然》发表了中国科技大学潘建伟教授等完成的重大研究成果:五粒子纠缠态以及终端开放的量子态隐形传输的实验获得成功,在国际上首次取得五粒子纠缠态的制备与操纵。

    对这一重大研究与实验成果,《自然》杂志称赞说:“尽管五粒子纠缠态以及终端开放的量子态隐形传输的实现非常困难,但是中国科技大学潘建伟教授和他的同事完成了这一壮举,他们的实验方法将在量子计算和网络化的量子通信中有重要的应用。”

    欧洲物理学会、美国物理学会闻风而动,也作了这样的高度评价:“这一实验成果代表了利用量子力学基本原理,进行量子信息处理的努力过程中的一大重要突破。”

    “多粒子纠缠态的制备与操纵”是近年来国际上量子物理与量子信息研究领域的研究热点。为了进行远距离的量子密码通信或量子态隐形传输,必须让距离遥远的两地共同拥有最大的“量子纠缠态”。

    潘建伟和他的同事杨涛、赵志等不但首次在国际上实现了“五粒子纠缠态的制备与操纵”,还利用五光子纠缠源,成功地进行了一种更新颖的量子态隐形传输,即“终端开放”的量子态隐形传输。潘建伟在接受记者采访时说:我们实验成功的这种新颖的量子隐形传态,也正是量子纠错和分布式量子信息处理中必须掌握的一项关键技术。

    潘建伟给记者进行了科普演示:五颗骰子在电脑上滚来滚去,生动地表现了五粒子相互“纠缠”中的情景。

    然而,正如爱因斯坦“上帝不会投骰子”之所言,五粒子其实不是五骰子,潘建伟包括五粒子“纠缠”研究在内的所有科研上的成功,也绝不是靠投骰子、碰运气,而是来自他多年锲而不舍的努力。

    “隐形传输(Teleportation)这一词汇,最初来源于科幻小说的《星际旅行》。在故事中,星球战士利用它可以在某一地点突然消失而瞬间地出现在遥远的另一点。那么,在现实生活中是否真的存在某种手段,可以把某一客体以最为快捷的方式送到遥远的另一地点?如果有,又将是一种什么样的手段?潘建伟为记者描述出一幅美好的图景,说:“以上种种问题,就是未来科学家们所要探究、加以实现的。”

    “随着现代量子物理研究的不断进展,科学家已能够成功地发送光子和原子,目前,正对更大的物体和在更远的距离上进行传输研究。或许积以时日,某个世纪之后能够传输人类本身,不仅是像《星际旅行》中难样的科学幻想而已。”潘建伟说:“但我们在‘星际旅行’前,一切的科学研究都首先脚踏实地。”

    每篇文章都要字斟句酌

    “昨天我和当博士后的助手忙了一个晚上,对合作完成的文章进行修改,今天早上让他将论文投寄给《物理评论快报》。”潘建伟对采访的本报记者说:“科研绝对不能有丝毫的浮躁情绪,我们投出的每篇文章都经过深思熟虑,要做反复的修改和完善。”

    2003年9月上旬,潘建伟白天接受本报记者的采访,他给世界著名学术刊物《物理评论快报》投寄的新论文,则是和助手用晚上的时间突击完成,而就在这前不久的几天里,潘建伟被《物理评论快报》接连告知,他和中国科技大学的同事《四光子最大纠缠态中量子力学非定域性的实验检验》、《两粒子纠缠态的充分必要判据》两篇论文予以发表。

    个性中充斥着“随意”与“好胜”

    记者佩服潘建伟工作高效率的当儿,潘建伟介绍了对自己科研成长道路有直接影响的几个人,“如果说我今天取得了一些成绩,那要感谢小时候我父母对我的‘无为而治’,虽然他们都曾当过中学的教师,但他们从来不逼着我非要学这学那,在我能够自然健康成长的基因里,一是得益于我父亲的‘随意’,二是得益于我母亲的‘好胜’。‘随意’和‘好胜’的接合,形成了我今天这样的秉性。当然,我也要感谢张永德老师,我的硕士论文是《量子佯谬》,他不但在我念书时个性能够得到充分的张扬,甚至我初到奥地利深造时的博士生导师也是他亲自选定的,认为导师Zerlinger(塞林格)与我喜欢自由自在的性格比较对路。”

    “我国外和国内两头跑,在国内带的助手和研究生,有些是张永德老师帮我物色,他们在进中国科大之前就很优秀,有比较好的学术功底,除了我在国内对他们的直接指导,我在国外经常进行电子邮件联络,几乎每天还和他们通一次越洋电话,问他们对研究题目的想法,进行必要的交流与讨论。”潘建伟说:“宽松的学术环境是科研之所以成功的一把密钥,无论是外国还是中国都概莫能外。我对自己的学生,也从来不限制他们这不能做那不能做,关键的激发并培养他们对研究问题的兴趣。”

    与严济慈几面之缘记忆犹新

    潘建伟1970年3月出生在浙江东阳,1987年考入中国科技大学,“严济慈先生是我东阳籍老乡,也是我们大学的第二任校长,我受严济慈先生治学潜移默化的影响不言而喻。”

    中科大在45周年校庆时建立了一座“思源”碑,碑顶为一块天然灵璧石,形如“1”字,寓意对世界一流大学的追求,底座为正五边形,并坐落在正八边形的平台上,隐喻科大1958年诞生建校,表达莘莘学子和校友甘当中科大发展的基石。潘建伟说:“老校长严济慈曾对学校题词‘创寰宇学府,育天下英才’,应该是我们全体师生为之奋斗的座右铭。”

    潘建伟回忆了他有幸与严济慈先生的几次见面:最早一次是他在读高二时,严济慈先生参加东阳一中的校庆,他和一些同学参加了与严先生的座谈,第二次和第三次是在中科大念书时,作为东阳一中的校友,他不仅参加了和先生的座谈,合影时就站在先生的背后,“严先生不但与我聊天还与我握手,我当时感到他的手特别柔软。我沾了自己是严先生老乡的光,现在对母校要有所回报。”潘建伟笑曰。

    在中国科技大学“量子态叠加原理及其应用”的学术报告会上,从足球运动员射门的现象开始谈起,自然地引出关于量子世界的奇妙现象,潘建伟从量子纠缠态纯化、量子加密技术到量子态的远程传输及量子计算机,深入浅出地介绍了世界领先的量子技术,参加报告会的师生耳目一新,对他不停地进行提问,并报以了热烈的掌声。

    “你今后的研究工作还愿意和爱因斯坦‘纠缠’下去,继续破解量子力学通信中的一些未解之谜吗?”记者问。

    “我希望通过对量子纠缠的进一步研究,能够揭示出自然界一些为前人所不了解的特性,也希望我们今后开展的研究工作,能够为最终解决令爱因斯坦迷惑一辈子的‘量子力学非定域性’有所帮助。”潘建伟这样回答。

    从小就崇拜爱因斯坦

    潘建伟在量子理论研究方面不断得以深造,2003年,由于在量子态隐形传输以及量子纠缠态纯化实验实现上的重要贡献,他被奥地利科学院授予ErichSchmid奖,此奖为奥地利科学院授予40岁以下的青年物理学家的最高奖,两年一度,每次一人。

    最近的7年时间里,潘建伟做出了多项原始的世界级创新成果。其中他曾与国外科学家合作,在国际上首次实现了纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验,为量子通信的远程化打下了坚实的基础,“这次实验是在多瑙河两岸开展的,我们还考虑今后可能要在中国的长城之上进行实验的必要性。”雄心勃勃的潘建伟对记者透露。

    早在中国科技大学读书的时候,潘建伟因为喜欢爱因斯坦,同学就把爱因斯坦的姓“阿尔伯特”作为他的绰号,或者干脆简称他为“伯特”。潘建伟对记者说:“粒子间的相互纠缠,就是哪怕它们距离很远,但它们之间也会发生关系,会有‘剪不断、理还乱’的‘纠缠’产生,这是个奇怪的物理现象,也是我们物理学家所要探究的奥秘。我因为崇敬爱因斯坦,这辈子就和粒子纠缠这个研究工作‘纠缠’上了,越来越喜欢它,和它再也难以分开。也可以说,‘纠缠’就是一种执著。”

    相关链接:

    量子纠缠态

    所谓“量子纠缠”是指不论两个粒子间距离多远,一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象,即两个粒子之间不论相距多远,从根本上讲它们还是相互联系的。但由于在量子通信通道中存在种种不可避免的环境噪声,“量子纠缠态”的品质会随着传送距离的增加而逐渐降低,也就是说,两个粒子之间的纠缠会因传播距离的增大而不断退化,其纠缠数量也会随之越来越少。这是导致量子通信手段目前只能停留在短距离应用上的根本原因。

    潘建伟的5个首次:

    首次成功地实现了量子态隐形传送以及纠缠态交换;首次成功实现三光子、四光子纠缠态,并利用多粒子纠缠态首次成功地实现了GHZ定理的实验验证;

    首次成功地实现了自由量子态的隐形传送;

    首次实现纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验;

    首次取得五粒子纠缠态的制备与操纵

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