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光學名人
郭光燦

郭光燦(1942.12.9),福建惠安人,光學和量子信息學專家,2003年當選為中國科學院院士。長期從事光學和物理學的教學和科研工作,在教書育人方面做出了突破貢獻,指導四名博士生榮獲全國百篇優秀博士論文獎,被教育部評為全國優秀教師;在科研方面獲得一些了國際水平的原創性研究成果,被中科院授予先進工作者稱號并榮獲國家自然科學二等獎、何梁何利科技進步獎、安徽省自然科學一等獎等獎勵。一手創辦了中科院量子信息重點實驗室,使之成為我國在量子信息領域的成果搖籃與人才基地。現任中國科學院量子信息重點實驗室主任、中國物理學會常務理事、中國光學學會理事長,全國量子光學專業委員會主任、國際刊物《International J. Of Quantum Information》的Managing Editor、國家科技部973項目“量子通信與量子信息技術”首席科學家、中科院重要方向項目首席科學家、國家基金委創新群體學術帶頭人、國家科技部中長期規劃“量子調控”重大項目——“量子通信與量子計算的物理實現”首席科學家。

人物簡介

郭光燦教授,1942年生于福建惠安。1965年畢業于中國科學技術大學無線電電子學系并留校任教。現任中國科學技術大學教授、中國科學院量子信息重點實驗室主任。2003年當選中國科學院院士。

現任中國科學院量子信息重點實驗室主任、中國物理學會理事,中國光學學會理事,全國量子光學專業委員會主任,國際刊物《International J. of Quantum Information》 的Managing Editor;國家科技部973項目“量子通信與量子信息技術”首席科學家,中科院重要方向項目首席科學家,國家基金委創新群體學術帶頭人。國家科技部中長期規劃“量子調控”重大項目-“量子通信與量子計算的物理實現”首席科學家;榮獲國家自然科學二等獎,何梁何利獎,安徽省自然科學一等獎,安徽省2007年重大科技成就獎,被評選為中國科學院先進工作者、教育部全國優秀教師。培養博士研究生 65人,其中兩人榮獲全國百篇優秀博士論文獎。

要從事量子光學量子密碼量子通信量子計算的理論和實驗研究。在量子信息的研究中,提出概率量子克隆原理,并推導出最大克隆效率公式,被稱為“段-郭概率克隆機”、“段-郭界限”,概率克隆機成為兩種不同類型的量子克隆機之一;在實驗上研制成功概率量子克隆機和普適量子克隆機,證實相關的理論預言;國際上首次提出量子避錯編碼原理,該原理成為三種不同原理的量子編碼之一,已被實驗證實;提出一種新型的量子處理器,可有效地降低腔消相干的影響,并實現多種信息功能,已被實驗證實;在量子密碼研究中,通過商用通信光路實現北京到天津之間125公里單向量子密鑰傳輸;發明量子密碼通信網絡的關鍵部件-“量子路由器”,并通過商用光纖實現四端口量子密碼網絡的通信,首次實現武漢量子政務網;實驗上實現量子受控非門的隱形傳送,理論上提出固態容錯量子計算新方案,為解決量子計算的物理實現提供了可能的途徑;提出一種新型的量子點糾纏光源,該光源可以成為一種高效的光纖遠程通訊的糾纏光源;首次證明量子信道的私密容量是不可加的。

郭光燦教授長期從事光學和物理學的教學和科研工作,在教書育人方面做出突出貢獻,被教育部評為全國優秀教師;在科研方面獲得一系列國際水平的成果,被中科院授予先進工作者稱號。

郭光燦是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。已發表SCI論文820篇,其中 PRL 26篇,PRA 229篇;被SCI總引用10781次,他引9788次;出版著(譯)作11部,已培養博士40余名,碩士30余名,其中全國百篇優秀博士論文獲得者4名,國家杰出青年基金獲得者2名。

研究領域

主要從事量子光學、量子密碼、量子通信和量子計算的理論和實驗研究。提出概率量子克隆原理,推導出最大克隆效率,在實驗上研制成功概率量子克隆機和普適量子克隆機。發現在環境作用下不會消相干的"相干保持態",提出量子避錯編碼原理,被實驗證實。提出一種新型可望實用的量子處理器,被實驗證實。在實驗上實現遠距離的量子密鑰傳輸,建立基于量子密碼的保密通信系統,并提出"信道加密"的新方案,有其獨特的安全保密優點。在實驗上驗證了K-S理論,有力地支持了量子力學理論。發現奇偶相干態的奇異特性等。

學術成就

兩項原創性的應用基礎研究成果:“概率量子克隆”和“量子避錯編碼”。前者為解決量子信息領域的難題即信息提取問題提供了有效方法,被國際學術界稱為 “段-郭概率量子克隆機”“段-郭界限”,同時在實驗上研制成功量子克隆機,被認為是“該領域最激動人心的進展之一”;后一成果為克服量子信息技術實際應 用的主要障礙即消相干問題提供新的方法,成為學術界公認的三種不同原理編碼之一,并被美國若干著名實驗室在實驗上所證實。

完成14.8公里光纖量子密鑰的實驗,在3.2公里的中科大東西校區之間通過地下光纜建立了國內第一條基于量子密碼的保密通信線路,為量子通信走向實用邁出可喜的一步。

提出“實用量子處理器”和“信道加密”兩個新的實施方案,前者已被法國學者在實驗上所證實,被認為是可實用化的器件,后者是與現有所有量子密碼方案不同的新方案,有其獨特優點,被國際同行詳細推廣引用。

郭光燦教授一貫刻苦努力、兢兢業業、把全部精力貢獻給我國的科教事業,治學嚴謹、學風正派、成績突出,在國際上有較高知名度。

年度人物

郭光燦院士入評科學中國人(2011)年度人物評選

提名理由

郭光燦院士主要從事量子信息的理論與實驗研究。由他領導的中科院量子信息重點實驗室在量子糾纏研究中取得重大突破,成功制備出八光子糾纏態,刷新了多光子糾纏制備與操作數目的世界記錄,該項成果標志著科學家對多光子糾纏的制備與操控達到前所未有的八光子水平,將在量子通信網絡、基于糾纏的量子計算等量子信息過程中獲得重要應用,同時推動了量子糾纏的特性與分類等基本物理問題的研究。

媒體介紹

在旁人眼里,郭光燦的學術經歷豐富而多變。學過無線電,做過激光器,鉆研了十來年的量子光學理論,又去做量子信息的實驗。

其實,他的每一次“跳轉”都曾在不同歷史時期打下烙印。科學之旅中最讓他開心的,則是作為一名歷史“推手”,讓更多人與他一起暢游在量子的世界。

追回最好的時光

1942年,郭光燦出生于福建省一個漁民家庭。父親用一只小木船運貨,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。

盡管家境十分窘迫,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,家里人看到他成績優秀,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,于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”。

兩年后的1960年,郭光燦參加全國統一高考,第一志愿報考留蘇預備班,第二志愿為中國科技大學。后因中蘇關系緊張,留蘇政策變動,他未能如愿踏上蘇聯之旅,而是邁入了中科大的校門。

“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”,并未在郭光燦心里掀起波瀾。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向往。既來之則安之,他也深知,努力學習才是要緊事。

1960年,世界上第一臺激光器問世。不久之后,中科大無線電系設立氣體激光新專業,郭光燦對此方向產生了興趣,決心鉆研下去。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后,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里夫人。”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,郭光燦畢業后留校任物理系助教。然而,他潛心科研、獻身科學的愿望很快被接連而至的政治運動打斷。

“大家都去鬧革命了,專業浪費了整整八年。”郭光燦說,這八年本應是他創造力最好、最有思想的“黃金時光”。對于學術的無奈荒廢,他也并無太多抱怨和后悔。在他看來,正如人不能選擇自己出生的家庭,“生活在社會中,無論碰到怎樣的社會和時代約束,都得去適應,非個人所能左右”。

“文革”結束后,郭光燦開始拼命用功,“每天都是夜里兩三點睡覺,就是想把丟掉的八年撿回來”。夜以繼日埋頭鉆研,他是想彌補回人生中最好的時光,去完成老科學家曾經寄予年輕人的歷史使命。

邂逅量子光學

科研工作恢復后,郭光燦首先重拾起氣體激光研究。上世紀70年代以來,氦氖激光器、二氧化碳激光器、氬離子激光器是氣體激光的“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,不能跟在人家后面作重復研究。

經過一番調查,郭光燦發現氮分子氣體激光器是當時國內的一個空白領域,它所產生的紫外激光有很多新用途,也可以做其他染料激光器的泵浦。“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,獨辟蹊徑。

當時科研剛剛恢復,各種條件和設備都還很落后,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,我國最早的氮分子激光器就研發成功。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‘矬子里面拔將軍’。”研發激光器的經歷,讓郭光燦認識到,“文革”后百廢待興,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,這個方向并不被國內學者看好,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,這里面應該很有趣。”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,理論也趨于成熟,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,發奮改變落后局面。“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。”

回國后,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瑯琊山醉翁亭,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,后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,講義于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。”郭光燦說他回國后,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。

量子信息“冷暖自知”

上世紀90年代初,在郭光燦的努力推動下,國內量子光學已有了很大發展,但他一直在思考的是,“我們在國際上落后了那么多年,以后如何去趕超?”

習慣于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“科學價值的鑒賞能力”。如同對一件藝術品的鑒賞,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。”郭光燦對于科學價值的鑒賞總是著眼于未來。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,怎么辦?”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、鉆研。

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征,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。他們的成果發表后,曾引起國際轟動。

此后,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。

盡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并不看好。

“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”。

“你認為這個方向很好,但是,別人怎么知道它真的很重要?”郭光燦深知理想與現實的差距,也知道科學鑒賞力和判斷力人人有別。

怎么辦?郭光燦看準了,要盡一切努力讓學術界了解、重視、參與量子信息的發展。

他首先在科普雜志《物理》上發表了一系列文章,深入淺出地介紹量子信息,吸引了大量讀者;他求助于錢學森、王大珩等德高望重的科學家,申請組織召開香山會議,報告獲得同行贊譽。

然而,是否支持量子信息研究的爭論依然很大,甚至有學術界同行認為郭光燦在搞偽科學,國家支持依然杳無蹤影。

轉機出現在1999年。在時任中科院院長路甬祥的支持下,中科院高技術發展局為郭光燦提供了5萬元研究經費,并建議設立專門實驗室進行長期穩定支持。由此,量子通信與量子計算實驗室籌劃成立。

沒有想到,一年后被特批參與中科院重點實驗室評估時,郭光燦的實驗室排名第一。“我們拿到了每年380萬元的實驗室經費,我高興壞了。”郭光燦的實驗終于可以大膽運轉起來了。

“量子密碼對國家最重要,也相對容易。”郭光燦想以此為突破口,謀求日后全方位部署。

2001年,我國第一個量子通信和量子信息技術的“973”項目獲得通過。郭光燦為此從1997年開始申請了4年,“屢戰屢敗,屢敗屢戰”。

與他當年推動量子光學的發展一樣,郭光燦希望量子信息研究也能集中起全國的力量共同進步。他將十多個科研單位的50余名科學家聚攏到“973”項目中,實驗室紛紛建立起來,研究方向也從量子密碼拓展到量子計算機、量子通信、量子網絡等諸多領域。

“近十年的發展,隊伍和學科都已經成熟起來了。”郭光燦說,十來年的時間,這支隊伍里已經誕生了4位院士。

正如郭光燦所期待的,作為量子光學發展的一個延續,在國際量子信息領域,中國科學家的學術成果已擲地有聲。

從量子光學到量子信息,郭光燦都是國內最初的“第一推動力”。他說,在自己所處的歷史時期,推動這兩個領域的發展,才是他應當肩負的責任。

看到我國量子信息研究欣欣向榮,郭光燦感到很欣慰。回首走過的科學之路,他說自己所追求的,不過是“激揚人生,品味科學”。

 

 


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