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光学名人
郭光灿

郭光灿(1942.12.9),福建惠安人,光学和量子信息学专家,2003年当选为中国科学院院士。长期从事光学和物理学的教学和科研工作,在教书育人方面做出了突破贡献,指导四名博士生荣获全国百篇优秀博士论文奖,被教育部评为全国优秀教师;在科研方面获得一些了国际水平的原创性研究成果,被中科院授予先进工作者称号并荣获国家自然科学二等奖、何梁何利科技进步奖、安徽省自然科学一等奖等奖励。一手创办了中科院量子信息重点实验室,使之成为我国在量子信息领域的成果摇篮与人才基地。现任中国科学院量子信息重点实验室主任、中国物理学会常务理事、中国光学学会理事长,全国量子光学专业委员会主任、国际刊物《International J. Of Quantum Information》的Managing Editor、国家科技部973项目“量子通信与量子信息技术”首席科学家、中科院重要方向项目首席科学家、国家基金委创新群体学术带头人、国家科技部中长期规划“量子调控”重大项目——“量子通信与量子计算的物理实现”首席科学家。

人物简介

郭光灿教授,1942年生于福建惠安。1965年毕业于中国科学技术大学无线电电子学系并留校任教。现任中国科学技术大学教授、中国科学院量子信息重点实验室主任。2003年当选中国科学院院士。

现任中国科学院量子信息重点实验室主任、中国物理学会理事,中国光学学会理事,全国量子光学专业委员会主任,国际刊物《International J. of Quantum Information》 的Managing Editor;国家科技部973项目“量子通信与量子信息技术”首席科学家,中科院重要方向项目首席科学家,国家基金委创新群体学术带头人。国家科技部中长期规划“量子调控”重大项目-“量子通信与量子计算的物理实现”首席科学家;荣获国家自然科学二等奖,何梁何利奖,安徽省自然科学一等奖,安徽省2007年重大科技成就奖,被评选为中国科学院先进工作者、教育部全国优秀教师。培养博士研究生 65人,其中两人荣获全国百篇优秀博士论文奖。

要从事量子光学量子密码量子通信量子计算的理论和实验研究。在量子信息的研究中,提出概率量子克隆原理,并推导出最大克隆效率公式,被称为“段-郭概率克隆机”、“段-郭界限”,概率克隆机成为两种不同类型的量子克隆机之一;在实验上研制成功概率量子克隆机和普适量子克隆机,证实相关的理论预言;国际上首次提出量子避错编码原理,该原理成为三种不同原理的量子编码之一,已被实验证实;提出一种新型的量子处理器,可有效地降低腔消相干的影响,并实现多种信息功能,已被实验证实;在量子密码研究中,通过商用通信光路实现北京到天津之间125公里单向量子密钥传输;发明量子密码通信网络的关键部件-“量子路由器”,并通过商用光纤实现四端口量子密码网络的通信,首次实现武汉量子政务网;实验上实现量子受控非门的隐形传送,理论上提出固态容错量子计算新方案,为解决量子计算的物理实现提供了可能的途径;提出一种新型的量子点纠缠光源,该光源可以成为一种高效的光纤远程通讯的纠缠光源;首次证明量子信道的私密容量是不可加的。

郭光灿教授长期从事光学和物理学的教学和科研工作,在教书育人方面做出突出贡献,被教育部评为全国优秀教师;在科研方面获得一系列国际水平的成果,被中科院授予先进工作者称号。

郭光灿是中科院方向性项目首席专家,国家科技部973项目“量子通信和量子信息技术”的首席科学家。已发表SCI论文820篇,其中 PRL 26篇,PRA 229篇;被SCI总引用10781次,他引9788次;出版著(译)作11部,已培养博士40余名,硕士30余名,其中全国百篇优秀博士论文获得者4名,国家杰出青年基金获得者2名。

研究领域

主要从事量子光学、量子密码、量子通信和量子计算的理论和实验研究。提出概率量子克隆原理,推导出最大克隆效率,在实验上研制成功概率量子克隆机和普适量子克隆机。发现在环境作用下不会消相干的"相干保持态",提出量子避错编码原理,被实验证实。提出一种新型可望实用的量子处理器,被实验证实。在实验上实现远距离的量子密钥传输,建立基于量子密码的保密通信系统,并提出"信道加密"的新方案,有其独特的安全保密优点。在实验上验证了K-S理论,有力地支持了量子力学理论。发现奇偶相干态的奇异特性等。

学术成就

两项原创性的应用基础研究成果:“概率量子克隆”和“量子避错编码”。前者为解决量子信息领域的难题即信息提取问题提供了有效方法,被国际学术界称为 “段-郭概率量子克隆机”“段-郭界限”,同时在实验上研制成功量子克隆机,被认为是“该领域最激动人心的进展之一”;后一成果为克服量子信息技术实际应 用的主要障碍即消相干问题提供新的方法,成为学术界公认的三种不同原理编码之一,并被美国若干著名实验室在实验上所证实。

完成14.8公里光纤量子密钥的实验,在3.2公里的中科大东西校区之间通过地下光缆建立了国内第一条基于量子密码的保密通信线路,为量子通信走向实用迈出可喜的一步。

提出“实用量子处理器”和“信道加密”两个新的实施方案,前者已被法国学者在实验上所证实,被认为是可实用化的器件,后者是与现有所有量子密码方案不同的新方案,有其独特优点,被国际同行详细推广引用。

郭光灿教授一贯刻苦努力、兢兢业业、把全部精力贡献给我国的科教事业,治学严谨、学风正派、成绩突出,在国际上有较高知名度。

年度人物

郭光灿院士入评科学中国人(2011)年度人物评选

提名理由

郭光灿院士主要从事量子信息的理论与实验研究。由他领导的中科院量子信息重点实验室在量子纠缠研究中取得重大突破,成功制备出八光子纠缠态,刷新了多光子纠缠制备与操作数目的世界记录,该项成果标志着科学家对多光子纠缠的制备与操控达到前所未有的八光子水平,将在量子通信网络、基于纠缠的量子计算等量子信息过程中获得重要应用,同时推动了量子纠缠的特性与分类等基本物理问题的研究。

媒体介绍

在旁人眼里,郭光灿的学术经历丰富而多变。学过无线电,做过激光器,钻研了十来年的量子光学理论,又去做量子信息的实验。

其实,他的每一次“跳转”都曾在不同历史时期打下烙印。科学之旅中最让他开心的,则是作为一名历史“推手”,让更多人与他一起畅游在量子的世界。

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”。

 

 


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