量子科学，争夺未来不单有“情怀”

　　如今，量子科学是世界强国都在争分夺秒不懈攻克的焦点，是“未来的科学”。在这一领域，中国已经领跑世界。就在最近的2018年6月底7月初，中国科学技术大学潘建伟带领的团队在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠，再次刷新量子纠缠世界纪录，也同步刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录。
　　这样的成就，如何得来？“量子”这个看上去神秘高深的概念，何以变得越来越为常人可感可知？从中国科技大学副校长、著名物理学家潘建伟以及清华大学副校长、著名物理学家薛其坤这两名中国量子科学领域代表的故事中，我们或许能一窥其中奥妙。

生命中的三个纪念日

　　北京时间2016年8月16日凌晨1时40分，全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”从酒泉卫星发射中心成功发射。“墨子号”升空后一年的时间里，在世界上首次实现千公里量级的量子纠缠分发，并完成了从卫星到地面的量子密钥分发以及从地面到卫星的量子隐形传态，这标志着中国在量子通信领域的研究在国际上达到全面领先的优势地位。
　　这样优势的建立，与中国科学院院士、中国量子通信科研的领军人物潘建伟密不可分。“在中国，人们称他‘量子之父’。”英国《自然》杂志发布的2017年全球十大科学人物榜单中，对入选的中国科学家潘建伟的第一句介绍这样说。“墨子号”升空的那一天，也被潘建伟认定为自己生命中的三个纪念日之一。
　　第二个纪念日，是1987年9月4日，他去中国科学技术大学物理系报到的日子。在那里，他开始了量子科研之路。回忆年轻时的求学经历，潘建伟说：“小学时写拼音对于我来说是最折磨人的事情，但是后来我发现上了初中，没想到还有这么简单的学科，那就是物理。”
　　潘建伟首次读到爱因斯坦的自传小序时，觉得自己选的这条路是非常正确的。爱因斯坦在文章里提到：我们在世界上通过努力，填饱自己肚子是很容易的；但是如果仅仅满足于此，而没有其他的追求的话，恐怕不能成为一个独立的人。“他说做物理方面的研究，其实是对自己心灵上的一种解放。这写得太好了，就写出我自己的心声。”
　　从此爱因斯坦成为他的偶像。在本科毕业论文中，潘建伟选择站在爱因斯坦一边，集中研究、总结了量子世界的各种佯谬。但有意思的是，他此后二十多年的探索越来越给出证据：不相信量子奇妙的爱因斯坦，犯了错误。
　　2001年3月14日，这是潘建伟的第三个纪念日。这一天，潘建伟在中科大负责组建了量子物理和量子信息实验室。这个愿望，在他1996年赴奥地利维也纳大学，来到量子力学的世界级大师安东·塞林格的实验室攻读博士学位时就已经立下。当时，塞林格问他将来的打算是什么？潘建伟答道：“我希望能够在中国建一个像你这样世界一流的量子物理实验室。”
　　触动潘建伟做这件事的，是他在留学时看到的一部纪念中国“两弹一星”元勋影片中的故事。“当时一位老先生叫郭永怀，他因为飞机失事不幸遇难了。但是后来别人发现他和他的勤务员紧紧抱在一起，尸体都烧焦了，是为了什么呢？原来他为了保护在基地带回来的数据。我当时看到，真的是泪流满面。我说一定要回去为国家做点事情。”
　　以这样的情怀，加上“花10倍的时间做一件重要的事，比一倍时间做10件不重要的事情要好得多”的信念，潘建伟带领他的团队，在塞林格实验室的单光子单自由度量子隐形传态实验之后18年，打破国际权威学者的“不可能”预言，实现了单光子多自由度的量子隐形传态。接下来，还有一系列的突破，使中国在量子通信领域至少领先世界15年以上。
　　然而潘建伟并没有满足于“世界一流”。他提出，要把实验室开成“百年老店”，如同德国马普所、英国卡文迪许实验室。
　　“百年老店首先要有一种传统。如果就靠一个人，可能他在的时候做得比较好，慢慢他年纪大了，可能队伍就萎缩了。”潘建伟催促团队里的年轻人，赶紧开辟新方向，独立开展工作，而不是由他继续主导新方向的讨论和选定。
　　潘建伟说，他特别希望再通过大概十年左右的努力，能够让量子通信走向千家万户，让大家能够感受到它的用处。“我们在拼命地做，在努力地做，如果做成，也许可以成为下一个值得纪念的日子。”

两次39分与“7-11”

　　日常生活中，人们使用电脑时会遇到机器发热、能量损耗、速度变慢等问题，这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子“霍尔效应”则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的“跑道”上规律地高速前进，解决上述问题。
　　然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，相当于要外加10个计算机大的磁铁，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。不需要外磁场的量子霍尔效应，也就是“反常霍尔效应”，该理论被提出后的130多年来，人们一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。
　　2013年4月10日，中科学院院士、清华大学的薛其坤带领他的团队在北京宣布，首次从实验中观测到量子反常霍尔效应。美国《科学》杂志对该发现的论文给出评价：“这篇文章结束了对量子反常霍尔效应多年的探寻，这是一项里程碑式的工作。”诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁评价其为“诺贝尔奖级的发现”。这项重大基础物理学成果，被认为“很可能引发一次信息技术革命”。　

　　薛其坤年少时，从来也没有想到过将来自己会成为物理学家。从山东大学本科毕业后，他被分配到曲阜师范大学物理系，后来一心想报考哈工大的研究生，也只是因为觉得读研究生之后能做科学家、搞研究，很神圣很幸福，他是怀着一颗对科学朴素向往的初心。

　　然而，第一年考研，他的高等数学只考了39分。两年后，他报考中科院物理所，但物理也只得了39分。他没有放弃，再次尝试，终于考入中科院物理所。
　　几年后，薛其坤赴日本仙台的东北大学研究所读博，他的生命发生了重要转折。身在他乡、语言不通、没有朋友、家人相隔，这些都还不算什么。对他最大的考验是博导樱井利夫极其严格的治学方式，这个实验室的规矩是：每个人每周都要工作6天，早上7点来实验室，晚上11点之前不许离开，不然，导师的脸色会非常难看。这就是“7-11”。
　　薛其坤回忆说：这让他有了彻头彻尾的改变，从“自由散漫”，变成像时钟一样准确的作息。他的生活在强大的外压下变得极其简单，每天都是实验室和宿舍“两点一线”，整个人的身心一下子都扑到了科研上。
　　他说：“那时候，每天就是三件事，吃饭、睡觉、搞科研。太困了，就坐在公共卫生间的马桶上，悄悄眯一会儿。”他感觉异常孤单，跟家人通电话，几乎要落泪。刚到日本时，他一年中会有七八个月是想放弃、想回国、想回家。
　　在这种考验下，薛其坤终于在博士读到第六年的时候，开始接近最初的梦想——实验取得了一定成果，他也开始体会到科学研究的美妙。“你要想让自己真正的快乐，你必须追求极致。”回首那段时光，薛其坤感慨。
　　1999年，七年的博士求学结束后，入选中科院“百人计划”的薛其坤回国。接下来的20年里，他继续保持着“7-11”的作息规律，没休息过一个完整的假期和周末，每年平均工作时间在330天以上，每天工作时间在15小时左右，年平均工作时间高达5000小时。　
　　在宣布观测到量子反常霍尔效应之前，薛其坤和他的团队经历了四年的不断尝试与不断失败。薛其坤常常给团队打气说：“全世界都试图攻克这个难题，我们必须要抓紧时间！科学发现特别是重要发现，只有第一，没有第二，我们只有冲，没有退路！”　
　　在他看来，除了科研，当一名大学老师更重要的是对学生价值观的塑造，要尽一切可能，培养对社会有用的、正能量的人才。
　　薛其坤没有规定他的学生必须要完全遵守“7-11”的作息，但是对他们在学术规范、学术态度上的训练，丝毫也不含糊。如果有学生犯了错，他严肃批评教育，把犯错误的原因分析清楚，让学生发自内心地理解。甚至连学生论文中多出来的空格、错用的标点符号他都会一一指出，手把手地分析如何改正。有人说这样很浪费时间，但他并不认同，在他心中，对学生的教育没有“浪费”之说。
　　关于未来，薛其坤希望能在有生之年解决高温超导机理这个世界性的难题。在其他人眼中，薛其坤41岁就当选中科院院士，做出重大发现，是不折不扣的天才；但在他自己眼里，这些不过是因为他比其他人都更能拼上性命努力罢了。
　　
链接：程开甲：中国“核司令”  
   
　　中国科学院院士，“两弹一星”功勋奖章、“八一勋章”获得者，2013年国家最高科技奖获得者，他是我国核武器事业的开拓者之一、核试验科学技术体系的创建者之一。
　　就在程开甲全身心地投入科研之时，1960年，他被分配到当时的第二机械工业部核武器研究所，被任命为研究所的技术副所长。这次调动，是钱三强亲自点将、邓小平最后批准的。从此，他隐姓埋名，在学术界销声匿迹20多年。
　　最迟在1965年上半年爆炸我国第一颗原子弹的计划确定后，中央决定由程开甲全面负责核武器试验中的技术问题。程开甲后来回忆说：“当时主要的难点是，不知道爆炸的具体全过程。在没有经验与外援的条件下，要求我们在两年内完成从提出具体试验计划、测试项目，直到现场实施，以及完成大量的研究工作，任务是十分繁重的。”
　　为此，他废寝忘食，全心钻研。有一天早上，程开甲走进办公室，一个人关上了门，聚精会神地考虑问题，把吃饭、午睡的时间全忘记了。当他把问题想清楚，开心地走出办公室时，已是下午1点多了。他走过其他房间，发现大家都在床上睡觉，非常生气，劈头盖脸地批评：“研究的时间这么紧，你们居然还敢在上班时间睡大觉？”其他人不禁哈哈大笑。经过提醒，他才恍然大悟，不好意思地转身走了。
　　凭着这股劲头，在当年的试验中，程开甲解决了一系列理论和技术难题，对核爆炸现象、核爆炸规律、核武器效应与防护规律等，进行了深入理论研究，建立了中国特色的核试验科学技术体系，为中国首颗原子弹和首颗氢弹的成功爆炸做出了关键贡献，被称为“核司令”。他还带出一支高水平人才队伍，培养出10位院士和40多位将军。
　　　　有人曾问晚年的程开甲：“要是你当时听了导师玻恩的建议留在英国，现在会怎样？”他感慨：“我不回国，可能会在学术上有更大的成就，但决不会有现在这样幸福。因为我现在所做的一切，都和祖国紧紧地联系在一起。”
　　
于敏：“国产土专家一号”
   
　　核物理学家，中科院院士，2014年国家最高科技奖获得者、“两弹一星”功勋奖章获得者。他在中国氢弹的原理突破中解决了一系列基础问题，提出了从原理到构形基本完整的设想，并长期领导核武器理论研究、设计，解决了大量理论问题。
　　他即将在基本粒子研究中做出重大成果的关键时刻，1961年1月，近代物理所所长钱三强找到他，转达组织上希望他“转行”到“轻核理论组”，参加氢弹理论的预研工作的希望。于敏毫不犹豫地表示服从分配。
　　当时中国的设备仅有一台每秒万次的电子管计算机，并且95%的时间分配给有关原子弹的计算，只剩下5%的时间留给于敏负责的氢弹设计。这没有难住他，他领导下的工作组人手一把计算尺，废寝忘食地计算。4年中，于敏、黄祖洽等科技人员提出研究成果报告69篇，对氢弹的许多基本现象和规律有了深刻的认识。
　　1964年10月16日，我国第一颗原子弹爆炸成功。1965年，于敏调入第二机械工业部第九研究院；年底，他提出了氢弹理论设想新方案，并且发现了热核材料自持燃烧的关键，氢弹原理得以突破，大大缩短了我国氢弹研制的时间，让我国在第一颗原子弹爆炸后，仅用2年8个月，就在1967年6月17日成功爆炸第一颗氢弹，为世界速度最快。
　　于敏这位关键人物，是一个完全由中国自己培养、没有出国留学经历的“土专家”，他这样的情况，在23位“两弹一星”元勋里只有两例。但他的能力和视野一点也未受局限。日本著名核物理学家、诺贝尔物理奖获得者朝永振一郎1955年率团访华时就对于敏的才华留下深刻印象，回国后发文称于敏为“国产土专家一号”。
　　在氢弹之后，到上世纪80年代中期，于敏又领导科研队伍完成了核武器小型化、中子弹等一系列关键突破。