PDF《潘建伟：与量子“纠缠”20 年,喜欢为大众做科普》

早班车 ・ 人物|3 2017年12月22日 星期五 编辑: 鲁菲 校检: 林夕梦 视觉编辑: 隋P 读书时他曾被量子力学搞糊涂, 如今成为中国 量子之父 潘建伟: 与量子 纠缠 20年, 喜欢为大众做科普 暗物质粒子探测卫星首席科学家做客央视 《 开讲啦 》 常进: 暗物质的发现对人们未来生活的影响不可估量 12月19日, 国际顶尖学术期刊 《自然》 发布了年度十大人物.

中国科学技术大学 教授、 墨子号 量子科学实验卫星首席科学 家潘建伟上榜. 出去是为了更好地回来 潘建伟1987年考入中国科学技术大学 近代物理系, 本科时接触到了量子力学.但 一开始, 他却被量子力学给搞糊涂了.像量 子叠加、 量子纠缠的问题, 当时他觉得是不 应该发生的, 有一次期中考试还因此差点没 及格.要搞清楚这类问题必须通过实验, 但 当时国内还不具备这个条件, 所以没办法, 1996年潘建伟硕士毕业后就选择了出国留 学, 到奥地利攻读博士学位.几经辗转, 潘 建伟到了因斯布鲁克.在他的导师塞林格 的办公室里, 塞林格问他的梦想是什么?潘 建伟也不知道自己当时是想好了还是没想 好, 反正张口就说: 我将来就想在中国建一 个像您这里的实验室, 世界一流的量子光学 实验室. 塞林格点点头, 说很好啊. 从1997年开始, 留学期间, 潘建伟每年 都趁着假期回中国科大讲学, 提一些量子信 息领域的发展建议, 也尽力带动一些研究人 员进入这个领域.现在回想起来, 潘建伟认 为当初他出国的目的就是把那些问题搞清 楚, 然后更好地回来工作.所以2001年, 潘 建伟就回国在中国科大组建了物理与量子 信息实验室. 大众对科学的兴趣激发他做科普 在国外的那些年, 除了学习先进的科学 技术, 还有两件事让潘建伟印象很深.有一 次, 他在阿尔卑斯山大峡谷遇到了一位大概 80岁、 满头白发的老太太.她坐在轮椅上问 潘建伟是干什么的, 潘建伟说是做量子物理 的.她又问: 你做哪一方面? 潘建伟说是 做量子信息、 量子态隐形传输, 就像时空穿 越里面的东西.老太太若有所悟地说: 我 知道你, 我读过你在 《自然》 杂志发表的文 章. 潘建伟万万没想到, 一个80多岁的老 太太竟然去读艰涩难懂的科学期刊. 还有一次, 潘建伟在德国海德堡做手术 后醒来, 站在床边的护士问他是不是研究跟 时空穿越类似的东西?潘建伟点了点头. 护士兴奋地说: 那能给我讲讲吗? 当时, 潘 建伟鼻子里插着管子, 不太方便, 就跟她说: 现在讲不了, 我回头给你点资料吧. 老太太 和护士都是普通人, 但她们对科学的兴趣让 潘建伟很感动, 这是一种天生的好奇.所以 潘建伟现在在国内也经常做科普演讲, 尽量 用生动的方法讲科学, 人们很感兴趣. 中国的量子通信领跑世界 现在, 墨子号 量子科学实验卫星和 京沪干线 量子通信网络很受关注, 但很多 人不太明白量子通信到底是怎么一回事. 潘建伟用通俗的方式告诉大家. 我们知道, 传统的光通信是以光为载 体进行的, 光脉冲里有很多光子.光通信的 信号是可以被复制的, 也可以被分成一模一 样的两半.好比有一个文件, 别人可以拿复 印机复印上面的信息, 我是不知道的;

别人 也可以把信号分成两半, 我能读到, 他也能 读到.这样光通信就存在安全隐患, 信息可 能被别人窃取, 我却浑然不知.但是, 量子 通信就不一样了.如果中间有人来窃取信 息, 他无非有两种方法: 复制或者分割.量 子通信用最小的光量子做信息载体, 无法被 分割, 恰好量子又有无法被复制的特性, 所 以窃取信息的人既无法复制信息, 也分割不 了信息, 这就保证了信息的安全性.这就是 量子通信最基本的特点和优点.除非他拿 走这个信息, 那我就收不到了, 等于给我一 个警报――信息被窃取了.所以量子通信 说来也简单, 本质和经典通信是一样的, 只 不过更安全 . 潘建伟说自己的工作就是跟量子 纠缠 , 梦想就是 操纵 量子, 让量子更好地为 人们所用.从2001年回国创建实验室, 到 去年量子卫星发射, 再到今年 京沪干线 开通, 这是量子通信从基础研究到小规模应 用、 再到远距离应用的过程, 也是潘建伟过 去十五六年做的工作.可以说, 目前中国的 量子通信技术在世界上处于领跑地位. 生活中显露真性情 2003年, 潘建伟本该3月份去德国, 但 是想到浙江东阳老家的荠菜很好吃, 这一走 就吃不到了, 他索性就拖了一段时间, 等春 天荠菜采完了才走. 作任何新领域的科研都是艰苦的探索, 不过潘建伟觉得只要有决心, 就一定能行. 比如说, 他17岁的时候在日记里写了一个心 愿: 希望经过多年努力, 将来能娶我的一个 女同学为妻. 从那时起, 潘建伟花了9年, 一 直到

26 岁, 那个女同学终于答应嫁给他 了.这件事给了他足够的信心, 这么难的 事情都可以做成, 这世界上还有什么做不成 的事情呢? 环球人物官微 11月30日, 《自然》 杂志发表了中国首 颗暗物质探测卫星 悟空 号发现异常的电 子现象, 被科学家们称为发现了疑似的暗物 质.12月9日的央视 《开讲啦》 节目邀请了 暗物质粒子探测卫星首席科学家、 中国科学 院紫金山天文台副台长常进, 请他讲讲关于 暗物质的那些事儿. 导师们是他攻关的坚强后盾 1966年, 常进出生在江苏泰兴农村, 他 是家里的老大.因为当时家里很穷练就了 常进吃饭速度奇快的本领, 对此他说, 如果 吃得慢, 就要挨饿了 .这样的吃饭速度一 直保持到他在中国科技大学读研.当时, 好 多精密仪器大家都要轮着用, 通常轮到常进 所在的实验室时已经是半夜, 导师们会经常 带饭给学生们当夜宵, 因为我吃饭速度快, 吃得也最多.所以我对几位老师的口味都 很清楚, 谁家喜欢吃辣, 哪家爱好吃甜, 我都 很清楚 .回忆起当年的求学经历, 常进至 今流露出幸福的神情.中科大的导师们不 仅给求学时的常进生活上的照顾, 还是他日 后科研攻关时的坚强后盾. 2011年, 在研究暗物质卫星期间, 常进 遇到的两大关键性难题都是中科大的导师 们帮了大忙.首先是粒子鉴别难题, 打个比 方, 2000万人的大城市, 瞬间要找到20个人, 还不能错一个.第二是动态范围, 因为 不知道暗物质粒子的重量, 都是漫天撒网去 找, 常进就希望做一个世界上最大的网, 这 就要求单个探测器的动态范围要达到100 万倍.他打个比方道: 如果把 '

悟空'

号望远 镜当成人的眼睛, 它要看清一个大概两米高 的篮球运动员身上的所有细节, 甚至只有两 微米的血小板, 从两米范围的体貌特征到两 微米的微观世界这就是100万倍的动态范 围. 如今, 这两项技术堪称完美. 悟空 到底发现了什么? 2015年冬天, 悟空 号暗物质粒子探 测卫星成功发射, 两年来它向地面传输了很 多重要的数据, 经过科学家们的计算和分 析, 人们感觉到可能找到了暗物质存在的证 据.常进为此解释, 这些数据中有一些异 常, 但实际上我们还没100%找到暗物质. 但常进也说, 悟空 号相当于打开了宇 宙新的观察窗口, 人类第一次通过它到太空 观察万亿电子伏特以上的波段.常进团队 据此做出了目前世界上最精确的高能电子 能谱.天文学家、 粒子物理学家可以根据该 能谱推测天上暗物质的可能的性质. 究竟什么是暗物质?常进给出的通俗 说法是, 看不见却真实存在的东西, 其中最 关键的是到目前为止我们知道暗物质真实 存在, 却无法找到它. 人类所以相信暗物质 的存在是因为, 如果没有它的存在, 宇宙就 不是今天的样子了 .常进举例, 太阳绕银 河系转, 根据发光物质的引力, 太阳的速度 大概每秒160公里, 但是我们现在测出来, 太阳的速度是每秒240公里左右, 按照这个 速度, 离心力太大, 太阳应该早就飞出去了. 就是因为太阳和银河系中间存在暗物质, 才 能保持现在的速度. 爱因斯坦讲过, 人类只弄清宇宙的5%, 宇宙的95%是暗物质与暗能量.目前, 全世 界都在花大量的精力和金钱去研究暗物质 和暗能量.人们认为暗物质和暗能量是目 前笼罩在物理学上的两朵乌云.100多年前 相对论和量子力学同样是笼罩物理学的两 朵乌云, 它们的发现让我们今天的生活日新 月异.常进说, 如果人们能弄清楚暗物质和 暗能量, 肯定会导致基础物理学产生很大的 突破, 这个突破对未来人们生活的影响是无 法估量的. 科学上经常 种瓜得豆 1992年, 常进被分到中国科学院紫金 山天文台工作.当时国际上对高能电子和 高能伽马射线的观测刚起步, 他决定将自己 的研究转向该领域, 幸运的是3年后, 他就取 得了突破.此时, 美国开展南极长周期气球 项目, 就是放气球到天上去观测高能宇宙 线.常进经过和美方的多次计算和实验, 最 终通过该项目的探测器获得了天上高能电 子和高能伽马射线的数据, 并以第一作者的 身份发表了观测结果.这样的经历让常进 觉得科学上 种瓜得豆 是常有的事, 比如南 极长周期气球项目本来是观测宇宙射线的, 最终得到的最重要的结果却是高能电子. 还有一件 种瓜得豆 的事是常进没想 到的.他和团队在对南极气球项目的数据 进行分析时发现了一个奇异的现象, 观测到 的高能电子要比理论计算的要多.当时常 进以为仪器出了问题, 又花了1年时间, 用各 种方法检测仪器.后来证明不是仪器的问 题, 那就说明天上的高能电子确实比理论值 要多.那么多出的高能电子来自于哪?这 时常进和团队就联想到了暗物质. 因为气球观测的精度是有限的,

2002 年, 常进就希望做一个大卫星到太空去观测 高能电子和高能伽马射线, 验证自己的想 法.不过做卫星可不那么容易.好在2001 年到

2010 年的

10 年间, 常进参与了我国 嫦娥一号 、 嫦娥二号 和 嫦娥三号 的探 月工程.另外, 还在中国科学院的支持下, 做了一个很小的暗物质粒子探测卫星, 并搭 载实践卫星到太空去观测.因此常进总说, 没有这10年, 我不可能只用4年就将如此 复杂的暗物质卫星送上太空. 鲁菲整理自央视网 ........