中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿——四十余载追寻量子之光

  人物小传

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  郭光灿，1942年生，福建泉州人，中国科学院院士，中国科学技术大学教授，中国量子光学和量子信息科学的开拓者之一。他长期从事量子光学与量子信息的教学和科研工作，率先将量子光学理论体系引入国内，推动我国量子信息科学发展。曾获国家自然科学奖二等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖等荣誉。

  早上7点半，中国科学技术大学校园内，中国科学院院士郭光灿（见图左二，本报记者徐靖摄）匆匆地走向中国科学院量子信息重点实验室。这栋不起眼的小楼里，汇聚了量子密码与量子器件、半导体量子芯片、量子纠缠网络等多个领域的研究小组，量子避错编码原理、量子概率克隆原理等一系列成果均诞生于此。

  从上世纪80年代将量子光学理论体系引入国内，到90年代率先在国内开展量子信息科学研究，再到后来致力于打造我国自主可用的量子计算机，郭光灿在量子领域已经深耕了40余年。

  “一定要把我们的量子光学研究做起来”

  量子光学是研究光场量子特性及其与物质相互作用的前沿学科，它揭示了光不仅具有波动性，更由离散的光子构成。研究探索光的量子态（如相干态、压缩态）、量子纠缠等非经典现象，可以推动量子通信、量子计算和超精密测量等技术的突破性发展。

  上世纪80年代初，量子光学研究在国际上已经发展了20多年，但在中国还是空白。1981年，39岁的郭光灿作为改革开放后首批公派学者赴加拿大学习，其间接触到量子光学的前沿研究，他暗下决心：“一定要把我们的量子光学研究做起来。”

  郭光灿出生于福建的一个渔民家庭，尽管家境贫寒，但母亲坚持送3个孩子读书。郭光灿1960年考入中国科学技术大学无线电系。“因为当时想学半导体，就报考了中国科大的无线电系。后来才知道，半导体专业设在物理系，不在无线电系。”郭光灿说，“但也正因为这个机会，我赶上了中国科大无线电系设立气体激光新专业。我对这个方向很感兴趣，从此与光学结缘。”

  留学归国后，1984年，在中国科大的支持下，郭光灿在安徽滁州琅琊山主持举办了全国第一个量子光学学术会议。郭光灿说：“虽然大家对很多概念还搞不懂，但形成了一个共识，这个会应当坚持开下去。”

  此后的40年里，量子光学学术会议每两年举办一次，从未间断。“1984年第一届时，只有几十人参会，到2024年第二十一届时，参会人数超过800人，量子光学领域受到更多人的关注。”郭光灿说。

  随着关注度不断提高，如何能够更好地培养量子光学研究人才，成为郭光灿思考的重要课题。郭光灿在国内开设了第一门量子光学课程，课程讲义也于1991年结集出版。很多研究人员正是通过他的课程和讲义了解了量子光学领域，逐渐成长为量子研究的中坚力量。

  “我们今天的成绩，与国家20多年前的支持密不可分”

  在量子光学研究进度落后国际先进水平20年的情况下，郭光灿一直考虑寻找更有突破可能的研究方向。20世纪90年代初，他在阅读文献时看到一个名词叫“量子信息”，这是国际学术界提出不久的研究方向，但他敏锐地意识到这是个非常有价值的研究领域。

  量子信息是一门基于量子力学原理，如叠加与纠缠等，来处理和传输信息的新兴交叉学科。其核心是以量子比特作为信息单元，旨在突破经典信息技术的极限，主要涵盖量子计算、量子通信和量子精密测量三大方向。

  量子信息的基础理论恰恰就是郭光灿此前研究的量子光学基础理论，其创新之处在于将量子理论系统性地引入信息领域，从而为计算机、密码学等经典概念赋予全新的量子诠释。将信息量子化后，显示出来的性能就会比经典信息要好很多，有巨大的潜在应用前景，并将赋予量子光学以崭新的生命力。

  郭光灿向一些科研机构提出建议，开展量子信息相关研究，却没有受到重视。甚至有人提出，“传统的经典信息尚未研究清楚，还搞什么量子信息？”“是不是伪科学？”

  面对种种误解和挫折，郭光灿并不气馁。他意识到，要改变这个局面，必须从普及量子信息的概念入手，为此，他连续在业内知名学术期刊上发表文章，引起了国内一些学者的兴趣。

  1998年，在由科学技术部（原国家科委）发起的香山科学会议上，郭光灿提出的“量子通信与量子计算”成为主题之一。会议主席、“两弹一星功勋奖章”获得者王大珩在会上说：“量子科学太重要了，必须要有中国人的声音。”

  1999年，在中国科学院的支持下，郭光灿在中国科大成立了量子通信与量子计算开放实验室，此后升级为中国科学院量子信息重点实验室，成为我国量子信息领域第一个省部级重点实验室。

  2001年，郭光灿申请到量子信息领域的第一个“973项目”。随后，他组建了一支由50多名研究人员组成的团队，这些成员来自国内10多个研究所和大学，覆盖量子密码、量子计算、量子通信、量子网络等诸多领域。5年间，他们不仅形成了一批研究成果，更培养了一支具有开拓创新能力的科研队伍。

  “这是我国量子信息实现由‘从0到1’到‘从1到100’发展的一个转折点。我们今天的成绩，与国家20多年前的支持密不可分。”郭光灿说。

  “量子计算机研究不是一代人能完成的事情，要让年轻人尽早上手”

  2011年，郭光灿团队承担了科技部“固态量子芯片”项目，负责研发我国自己的量子芯片。虽然当时大家希望由郭光灿担任首席科学家，但他坚持由当时还不满35岁的中国科大教授郭国平担任。

  量子芯片相当于未来量子计算机的“大脑”，其重要性不言而喻。“量子计算机研究不是一代人能完成的事情，要让年轻人尽早上手，可以干得更快、做得更好。”郭光灿说。

  郭国平没有辜负期待，他带领团队于2013年成功在“一个电子”上实现10皮秒级量子逻辑门运算，将原世界纪录提高近百倍，在推动量子计算走向应用上迈出重要一步。

  2017年，郭光灿和郭国平带领中国科学院量子信息重点实验室团队，联合创立了中国第一家量子计算公司——本源量子计算科技（合肥）股份有限公司。目标是研发出一台可供用户交互使用的工程化量子计算机，使得我国拥有自主可控的量子计算能力。

  依托本源量子，郭光灿和郭国平加大实验室量子计算领域研究成果转化力度，已陆续推出三代自主超导量子计算机。目前，我国第三代自主超导量子计算机“本源悟空”先后被139个国家和地区用户访问超2500万次，成功完成38万余个全球量子计算任务，涵盖流体动力学、金融、生物医药等多个行业领域。

  如今年逾八旬的郭光灿仍奔波于育人一线。他不仅为中学生做科普讲座，还多次参与“司南杯”量子计算编程挑战赛的活动。该赛事三届累计吸引超5000名高校学子参与，为我国量子计算事业储备了新生力量。

  “我这一辈子就想努力做好一件事，再培养一批人才，承担我应尽的责任。希望年轻人能够接过接力棒，共同推动量子计算技术走向产业化。”郭光灿说。

  延伸阅读

  研制一台量子计算机，需要攻克哪些技术难题

  量子计算机的研发是一项复杂任务，以超导量子计算机为例，其主要包含量子芯片、量子计算测控系统、极低温环境支撑系统和量子计算机操作系统、应用软件等方面。

  量子芯片作为量子计算机的心脏，负责执行关键的运算加速过程，而这一过程需要将问题转化为量子算法，并通过特殊的调制脉冲信号输入量子芯片，最终采集并分析量子芯片输出的信号以获得问题的解答。量子芯片的高效运行需要一个完善的硬件系统来支持，包括量子芯片封装技术、量子芯片测试平台，以及量子测控系统、相关元器件等。其中，量子芯片测试平台由极低温稀释制冷机及配套设施构成，为量子芯片提供极低温环境、红外辐射噪声屏蔽、磁场噪声屏蔽和极低的机械振动等高度隔离的运行条件，同时还需要高效率的导热组件及时带走量子芯片运行时产生的热量。量子计算测控系统负责量子芯片所需的一切信号的生成、采集、控制与处理，如同一位“翻译官”，将人类的复杂问题转化为量子芯片能够理解的“语言”，并引导量子芯片进行高效计算。

  同时，量子计算机还需要一套完整的软件系统来支持其运行，包括量子计算机操作系统、量子语言编译器、量子应用软件以及量子计算机集成开发环境等。这些软件系统不仅为用户提供量子程序的编程和操作界面，还需要对接硬件，将程序转换为硬件所需的指令信号，确保量子计算机能够高效、准确地执行各种计算任务。（记者 徐靖）