量子一一推动世界进步的力量

它不是具体粒子，却“构筑”起我们身处的世界

中央经济工作会议指出：科技自立自强是促进发展大局的根本支撑，只要秉持科学精神、把握科学规律、大力推动自主创新，就一定能够把国家发展建立在更加安全、更为可靠的基础之上。近年来，量子科技发展突飞猛进，成为促进高质量发展、保障国家安全的重要力量。

量子力学是微观物理学依赖的基本理论框架，自其提出一百多年来，在物理学基础与应用的方方面面取得了一个又一个的成功。从九章量子计算机原型的发布到证明广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已成熟，中国科学家过去几年在量子科技领域取得了跨越式的发展。

量子力学的建立使人类对世界的认识从宏观深入到微观，是近400年现代科学发展史上一个革命性飞跃，也是公认的上世纪最伟大的科学发现之一。

在深入了解量子力学之前，我们需要弄明白，究竟什么是量子？我们这个复杂的物理世界，是如何由微观粒子构建而成的？

量子不是“子”，而是一种物理学概念

物质是由原子组成的，原子是由原子核与电子组成的，原子核是由质子和中子组成的。那么量子究竟是个什么粒子？它跟电子、质子、中子相比如何呢？

事实上，量子只是一个物理学概念，不是实物。一个事物如果存在最小的、不可分割的基本单位，我们就说它是可量子化的，并把其可分割的最小单位称为量子。所以说，量子并不是具体的实在粒子。

打个比方来说，我们在统计人数时，可以有一个人、两个人，但不会出现半个人。再比如上台阶时，人们只能迈上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶。所以对于统计人数来说，一个人就是一个量子；对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。

同样的，电子最初是在阴极射线中发现的最小单位，那么我们就可以说电子是阴极射线的量子。而光子就是光的量子，一束光至少也要有一个光子，否则就没有光了。

以上这些例子是物质组成的量子化，还有一类是物理量的量子化。假设你驾驶着一辆“量子汽车”，你只能以5千米/小时、20千米/小时或80千米/小时的速度行驶，这些数值之间的速度是不允许出现的。换挡的时候，你突然就从5千米/小时跳转到20千米/小时，速度的变化是瞬间发生的，几乎觉察不到加速的过程。能量的取值由连续任意变成离散特定，并且存在一个固定的最小值，其它值只能是最小值的倍数。这就叫做物理量的量子化。

科学研究证实，在每一种原子和分子中，电子的能量都是量子化的。不只是能量，还有电荷、磁矩、角动量等许多物理量，也是量子化的。

物质组成的量子化和物理量的量子化，都说明量子化是微观世界的本质特征，量子力学也因此成为了科学家描述微观世界的基础理论。

在量子力学出现后，人们就把传统的牛顿力学称为经典力学。可以举一个例子说明“量子”与“经典”的本质区别，经典世界的特点是物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的：晶体管要么导通，要么关闭，完全确定。即经典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。

但量子世界中，客体的物理量则是不确定的、概率性的，而且这种不确定性与实验技术无关，是量子世界的本质特征，无法消除。

量子概念的提出，源自一场与光的邂逅

量子概念的提出，始于德国科学家普朗克发现了黑体辐射的不连续性无法通过经典力学来解释。

通俗一点说，就是一个完全黑的物质会吸收一切光线，但是光被黑体吸收的过程不是连续的。人们一开始不知道光是由光子构成的，所以认为黑体吸收光线应该是连续的。但是实验数据却表明，黑体吸收光线是一份一份的，并不是连续的，这是人类首次发现能量的量子化特性。

这个伟大的发现开启了通往量子世界的大门，它的发现者——普朗克也因此获得了1918年的诺贝尔物理学奖。

1905年，爱因斯坦做出了三项震惊世界的重大发现——狭义相对论、布朗运动和光电效应。光电效应被认为是人类在理解量子世界的道路上迈出的第二步，爱因斯坦也因此获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

简单地说，光电效应就是当某一光子照射到对光灵敏的物质上时，它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量之后，动能立刻增加，如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电能自动放电的现象，就叫光电效应。

此前，牛顿的经典力学理论中提出，能量是连续的，但是光电效应现象昭示出世界不再是线性的，而是非线性的。前辈科学家通过思考光的本质，最早提出了量子的概念。所有微观世界中的粒子，包括原子、原子核、电子以及光子，全都是量子的，而且它们全都不满足牛顿力学的规律。这背后是人类从未涉足的领域——微观量子世界。

到二十世纪三十年代，量子力学的理论大厦已经基本建立起来，能够对微观世界的大部分现象做出定量描述。现在科学界公认，量子力学和相对论是现代物理学的两大基础理论。

费米子和玻色子，是量子世界存在的基础

既然描述微观世界必须用量子力学，而宏观物质的性质又是由微观结构决定的。所以有必要先了解一下物质粒子的量子属性：费米子和玻色子。

随着量子力学的深入研究，科学家发现，在微观世界中，很多微小的粒子并不是固定不动的，其中比较重要的一个性质就是粒子自旋，这与地球自转的效果差不多。自旋是粒子的一种与其角动量（可理解为半径与转动速度的乘积）相联系的固有性质。量子力学所揭示的一个重要之处在于，自旋是量子化的，也就是说，它只能取普朗克常数的整数倍或半整数倍。

物理学家将不同自旋的粒子分成了两种。一种自旋是整数的粒子被称为玻色子，以印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色的名字命名，光子就是生活中最常见的玻色子。而另外一些粒子自旋是半整数，被称为费米子，以意大利物理学家恩利克·费米命名，电子就是典型的费米子。

科学家通过实验发现，两个玻色子交换，它们的波相加，所以两个玻色子喜欢待在一起，有亲和力；两个费米子交换，它们的波相消，所以两个费米子无法待在一起，互为排斥。这就是有名的泡利不相容原理：两个费米子不能占据同一个状态。

因此，原子中的电子必须占据不同的轨道。所以当原子带有多个电子时，电子按能量由低到高，依次的填充不同的轨道。当电子数目不同时，电子的轨道占据构形也是不同的。因为原子的形状，主要是由最后被占据的同颜色轨道所决定的，我们发现，带不同数目电子的原子，会有不同的性状。这导致了原子的丰富形状和丰富的化学活性，这是复杂生物世界存在的原始基础。

但是只有费米子是构不成物质的，必须有东西把费米子装配起来才能构成物质。说白了，我们还需要费米子之间能够相互作用，而传递这个相互作用的粒子的统称就叫做玻色子。

总的来说，物质的基本结构是费米子，而物质之间的基本相互作用却由玻色子来传递。费米子和玻色子，就是我们这个世界存在的微观基础。

追回最好的时光

1942年，郭光灿出生于福建省一个渔民家庭。父亲用一只小木船运货，艰难维持着全家五口人的生计。他三岁那年，父亲被日本人抓去做苦工，结果一去不返，在船上生病客死海外。含辛茹苦的母亲，独自一人抚养郭光灿三兄弟长大。

尽管家境十分窘迫，但目不识丁的母亲还是坚持送三个孩子去学堂念书。郭光灿天资聪颖又酷爱读书，家里人看到他成绩优秀，就全力支持他一直念下去。1958年初中毕业时，他被保送升入重点高中泉州五中。

入高中时，恰逢“大跃进”在全国轰轰烈烈展开。“教育也要大跃进。”郭光灿回忆，学校考试选拔出成绩较好的一批同学，组成两个理工班，“要求三年的功课两年完成”。

郭光灿思忖，少读一年书就能省下很多钱，于是毅然选择了理工班。而在此前，少年郭光灿还曾梦想着“将来长大了能当一名作家”。

两年后的1960年，郭光灿参加全国统一高考，第一志愿报考留苏预备班，第二志愿为中国科技大学。后因中苏关系紧张，留苏政策变动，他未能如愿踏上苏联之旅，而是迈入了中科大的校门。

“因为当时想学半导体，就报考了中科大无线电系。”郭光灿的这一选择可谓阴差阳错，进了校门他才知道，科大的半导体专业设在物理系，而不是像他所知道的北大半导体物理专业归在无线电系。

人生重大选择中出现的这一段“小插曲”，并未在郭光灿心里掀起波澜。他坦陈，当时所谓的专业兴趣其实很模糊，认识也很片面，更多是对一门新学科的单纯向往。既来之则安之，他也深知，努力学习才是要紧事。

1960年，世界上第一台激光器问世。不久之后，中科大无线电系设立气体激光新专业，郭光灿对此方向产生了兴趣，决心钻研下去。也是由此开始，他与光学结缘。

“我这辈子最幸运的一件事，就是考入了中科大。”郭光灿对自己的大学时光感念至深。严济慈、钱学森等老一代著名科学家都对中科大投入过极大的感情和心血，有幸聆听他们的教诲，让郭光灿受益一生。

郭光灿体会到，这些留洋归来的老科学家经历过旧中国的贫穷落后，非常希望年轻一代能够承担起民族复兴的历史责任。“所以那个时候的中科大，男孩子就立志做牛顿、爱因斯坦，女孩子的目标就是居里夫人。”雄心壮志之外，郭光灿还从这些一流科学家身上学到了做学问的思维方法和学术理念。

1965年，郭光灿毕业后留校任物理系助教。然而，他潜心科研、献身科学的愿望很快被接连而至的政治运动打断。

“大家都去闹革命了，专业浪费了整整八年。”郭光灿说，这八年本应是他创造力最好、最有思想的“黄金时光”。对于学术的无奈荒废，他也并无太多抱怨和后悔。在他看来，正如人不能选择自己出生的家庭，“生活在社会中，无论碰到怎样的社会和时代约束，都得去适应，非个人所能左右”。

“文革”结束后，郭光灿开始拼命用功，“每天都是夜里两三点睡觉，就是想把丢掉的八年捡回来”。夜以继日埋头钻研，他是想弥补回人生中最好的时光，去完成老科学家曾经寄予年轻人的历史使命。

邂逅量子光学

科研工作恢复后，郭光灿首先重拾起气体激光研究。上世纪70年代以来，氦氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器是气体激光的“老三样”，全国有很多研究单位都在做。郭光灿觉得，自己应该找一个新方向，不能跟在人家后面作重复研究。

经过一番调查，郭光灿发现氮分子气体激光器是当时国内的一个空白领域，它所产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。“国外老早就做出来了，我们差得很远。”郭光灿决定从此处入手，独辟蹊径。

当时科研刚刚恢复，各种条件和设备都还很落后，买器件、焊铁架、搭结构、做实验……每一件小事郭光灿都要亲力亲为。虽然非常艰苦，但没用多久，我国最早的氮分子激光器就研发成功。1978年，这项成果被评为全国科学大会奖。

“这个奖是为了鼓励大家。事实上，我们的水平实在太低了，只能算‘矬子里面拔将军’。”研发激光器的经历，让郭光灿认识到，“文革”后百废待兴，国家没有条件进行大量的科技投入，做实验研究将难上加难。

据此判断，郭光灿决定转向理论研究。这成为他学术生涯的一个重要转折点。

在光学领域有多年积累的郭光灿找了一个“冷门”——量子光学。当时，这个方向并不被国内学者看好，认为用经典理论解决光学问题就足够了，量子光学不会有太多理论内容，没有前景。

“比我有名的很多人都说这个方向没有用，因此国内几乎没有人考虑用量子理论解决光学问题。但是我觉得，这里面应该很有趣。”郭光灿坚持要剑走偏锋，就奔着自己的兴趣爱好做下去。

1981年，郭光灿前往加拿大多伦多大学物理系做访问学者，他婉拒了跟随导师从事实验研究的邀请，执意要作量子光学研究。

“到了国外我才发现，量子光学的基本理论框架人家都做得很成熟了。”郭光灿看到，国内无人关注的量子光学已经与国际前沿有了近20年的差距。

参加量子光学领域的一次国际会议时，郭光灿听到有学者介绍“光场压缩态”。“这个名词我从来都没有听说过。”郭光灿意识到，既然有新生方向的出现，就说明量子光学的前沿还在不断发展。虽然国内外差距很大，理论也趋于成熟，但他没有死心，觉得应该做下去。

郭光灿回忆，他回国前夕曾跟几位中国学者和学生聊至深夜，就是讨论如何发展国内的量子光学，发奋改变落后局面。“当时大家都是血气方刚的年轻人，似乎感觉到一种历史使命就落在我们肩上。”

回国后，郭光灿马上全身心投入到量子光学学科的建设中。1984年，他依靠学校支持的2000元钱，在欧阳修笔下的那个琅琊山醉翁亭，主持召开了全国第一个量子光学学术会议。

“来了一些对量子光学感兴趣的人，但大家对很多概念都还搞不懂。”郭光灿回忆当时的会议情形时说，大家取得的共识是，都认为这个会应当坚持开下去。

郭光灿主持发起的量子光学会议一直持续至今，以此为基础，后来又成立了量子光学专业委员会。就靠着这个学术活动，我国量子光学领域的研究队伍慢慢壮大起来，学科也得以迅速发展。

除此之外，郭光灿还在国内开了第一门量子光学课程，讲义于1991年集结出版。这本国内量子光学的“启蒙教科书”成为经典教材，为学科发展起到奠基作用。

“不光要自己的研究作好，还要引领出一个队伍。”郭光灿说他回国后，一直秉持着这样的理念来做事，希望能够吸引更多的人共同参与，提升整体学科的水平。

量子信息“冷暖自知”

上世纪90年代初，在郭光灿的努力推动下，国内量子光学已有了很大发展，但他一直在思考的是，“我们在国际上落后了那么多年，以后如何去赶超？”

习惯于不走寻常路的郭光灿洞察到，量子光学的发展必然将走向量子信息。这一交叉学科形成的“新生长点”，将是我们赶超国外的重要机遇。

无疑，郭光灿有着敏锐的学术嗅觉，他称之为“科学价值的鉴赏能力”。如同对一件艺术品的鉴赏，需要分辨出科学进展中最有趣、最具本质意义的新事物。

“在出现苗头时发现它，如果未来可能变成大树，就一定要关注。”郭光灿对于科学价值的鉴赏总是着眼于未来。在他看来，开拓新的学科生长点，远比跟随当前的某些国际学术热点更为重要。

可是，要开拓新领域谈何容易？郭光灿告诉记者，刚开始接触量子信息时，困难和问题接踵而至。“我们懂得量子，但不懂信息。经典信息理论都不懂，怎么办？”他去请教信息学院的老师，带着几个学生从最基础的理论开始学习、钻研。

1997年，孤军奋战的郭光灿完成了该领域的第一项重要工作——量子编码。“量子性是量子信息中最为关键的特征，但它非常脆弱，极易受到环境破坏。”郭光灿解释道，“因此，如何保住量子性是首要问题。这个解决不了，一切都是纸上谈兵，实验上无法实现。”

量子性需要量子编码来保护。国际上有三种公认的量子编码原理：量子纠错码、量子避错码、量子防错码。其中，世界上第一个做出量子避错码的，正是郭光灿和他的学生团队。他们的成果发表后，曾引起国际轰动。

此后，郭光灿团队又首先在国际上提出量子概率克隆原理，成为我国科学家在此领域的又一项开创性贡献，被称为“段—郭概率克隆机”、“段—郭界限”。

“当时在非常前沿的新学科中，中国人能够发出如此重要的声音，着实令外国人吃惊。”郭光灿对自己艰苦数年所取得的成就，有足够自豪的理由。

尽管郭光灿的工作引起国际轰动，但仍然没有引起国内同行的重视。“团队中只有研究生，也没有太多经费支持。”他觉得冷板凳不能这样坐下去，量子信息领域必须“长成大树”。

在这个节骨眼儿上，郭光灿知道，量子信息学科要对国家和社会有所贡献，最终必然走向应用，因此研究也必须从理论转向实验。“量子计算机、量子密码、量子网络等等，如果没有这些诱人的应用前景，学科不会有大发展。”

量子信息发展需要得到科技管理部门的支持和重视，但无奈当时整个学术界并不看好。

“因为他们对这个领域缺乏了解。”在郭光灿看来，通常是国际上很热门的学科，国内学术界才会赶紧跟上，也会得到支持，“老觉得热门的东西是前沿，事实上那只是当时的前沿。而我要做的，是未来的前沿”。

在郭光灿的科研理念中，在一个学科方向还比较“冷”的时候参与进去，才有更大的发挥空间，“话语权才会更重，成果影响才会更大”。

“你认为这个方向很好，但是，别人怎么知道它真的很重要？”郭光灿深知理想与现实的差距，也知道科学鉴赏力和判断力人人有别。

怎么办？郭光灿看准了，要尽一切努力让学术界了解、重视、参与量子信息的发展。

他首先在科普杂志《物理》上发表了一系列文章，深入浅出地介绍量子信息，吸引了大量读者；他求助于钱学森、王大珩等德高望重的科学家，申请组织召开香山会议，报告获得同行赞誉。

然而，是否支持量子信息研究的争论依然很大，甚至有学术界同行认为郭光灿在搞伪科学，国家支持依然杳无踪影。

转机出现在1999年。在时任中科院院长路甬祥的支持下，中科院高技术发展局为郭光灿提供了5万元研究经费，并建议设立专门实验室进行长期稳定支持。由此，量子通信与量子计算实验室筹划成立。

没有想到，一年后被特批参与中科院重点实验室评估时，郭光灿的实验室排名第一。“我们拿到了每年380万元的实验室经费，我高兴坏了。”郭光灿的实验终于可以大胆运转起来了。

“量子密码对国家最重要，也相对容易。”郭光灿想以此为突破口，谋求日后全方位部署。

2001年，我国第一个量子通信和量子信息技术的“973”项目获得通过。郭光灿为此从1997年开始申请了4年，“屡战屡败，屡败屡战”。

与他当年推动量子光学的发展一样，郭光灿希望量子信息研究也能集中起全国的力量共同进步。他将十多个科研单位的50余名科学家聚拢到“973”项目中，实验室纷纷建立起来，研究方向也从量子密码拓展到量子计算机、量子通信、量子网络等诸多领域。

“近十年的发展，队伍和学科都已经成熟起来了。”郭光灿说，十来年的时间，这支队伍里已经诞生了4位院士。

正如郭光灿所期待的，作为量子光学发展的一个延续，在国际量子信息领域，中国科学家的学术成果已掷地有声。

从量子光学到量子信息，郭光灿都是国内最初的“第一推动力”。他说，在自己所处的历史时期，推动这两个领域的发展，才是他应当肩负的责任。

看到我国量子信息研究欣欣向荣，郭光灿感到很欣慰。回首走过的科学之路，他说自己所追求的，不过是“激扬人生，品味科学”。