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中国科技实力正以多快的加速度逼近美国?

在职博士网      2015-08-14       来源: 袁岚峰

罗兰说美国的物理学工作还不足以支撑一个物理学期刊,这正好引出另一个有趣的故事。美国物理学家伊西多·艾萨克·拉比(Isidor Isaac Rabi,1898—1988)年轻的时候去欧洲留学,发现美国的物理杂志《物理评论》是被一年一次用船运过去的,说明在欧洲科学界看来美国的物理研究根本不值得重视,用不着及时看。拉比暗下决心,回国后担任了《物理评论》的主编,和同事们把它打造成了世界物理学界最著名的期刊之一,并且自己因为发现核磁共振获得了1944年的诺贝尔物理学奖。美国化学家莱纳斯·卡尔·鲍林(Linus Carl Pauling,1901—1994)也是在去欧洲留学之后,把美国的化学提升到了世界先进水平,并因为提出价键理论获得了1954年的诺贝尔化学奖。

中国量子信息的成功之路

我们来看一个中国的例子。量子信息现在是一个非常热的概念,经常上新闻联播,大家都知道中国的量子信息搞得很好。量子信息究竟是什么?我的科普文章《科普量子瞬间传输技术,包你懂!》及其补遗做了一些介绍,将来还会写更详细的科普。量子信息的理论不是三言两语能说清的,应用可以在这里简略说一下。

量子信息的应用分为量子计算和量子通信两大部分,前者比后者的技术难度高得多。量子计算在理论上可以解决很多现在无法解决的问题,或大大加强现有的计算能力,如加速对无结构数据的搜索,模拟真实的量子体系,通过对大整数的质因数分解破解最常用的密码体系。科学家提出了若干种量子计算的实验方案,但目前还没有一种达到实用程度的,都只能做一些算法的演示。例如对于因子分解,传统算法的计算量随位数的变化是指数增长,而量子算法只是多项式增长。这意味着什么呢?分解一个5000位的数字,经典算法(“经典”是跟“量子”相对的词)需要50亿年的时间,量子算法却只需要2分钟!但这么美妙的事只是理论,只是潜在的可能性。真正在量子计算机上分解了的最大的数字是什么?是143 = 11 × 13,这是科大的杜江峰、彭新华等人在2012年实现的。

另一方面,量子通信已经有一个应用了,称为量子密码术。这一个就非常了不起,它在物理原理上阻绝了泄密的可能,是真正的绝对保密。前面说的量子因子分解可以称为最强的矛,而量子密码就是最强的盾。最强的矛能攻破所有经典的密码,只有最强的盾才能抵御它。中国在量子通信领域是世界领先的,多次刷新了传输距离的世界纪录,有一些试验性的政务网络已经在运行中。科大的上海研究院在研制一颗量子卫星,预计2016年发射,用来做卫星与地面之间的量子通信实验。如果成功,就可望建立星地一体的绝对安全信息系统,有非常高的军事与民用价值。

中国的量子信息研究一大半在科大,科大有三个大的研究组:郭光灿院士、潘建伟院士、杜江峰教授。这里来讲讲潘建伟的成才之路。潘建伟在科大硕士毕业后,到奥地利维也纳大学的安东·塞林格(Anto Zeilinger)教授组里读博士。1997年,他们在《自然》上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》(Experimental quantum teleportation)的文章,潘建伟是第二作者。此文第一次实现了量子隐形传态,即科幻电影中的传送术(电影当然是大大夸张了的),入选了《自然》杂志的“百年物理学21篇经典论文”。

后来潘建伟回到科大工作,首先遇到的问题就是人才缺乏。为此他自己继续到国外开展合作研究,同时有针对性的选派学生跟随自己或送到欧美各个先进研究机构学习。派出去的每个人做不同的方向,回来后互相取长补短,团队逐渐成形,就一点点显现出了合作效果。2015年,潘建伟研究组在《自然》上发表题为《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》(Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon)的封面文章,把量子隐形传态的体系从一个自由度扩展到了两个自由度。用《道德经》的话说:“道生一,一生二,二生三,三生万物。”1997年实现了道生一,那时潘建伟还是博士生。2015年实现了一生二,这时他已经是量子信息的国际领导者。潘建伟团队从当初的单方向派人去海外学习,已经变成有来有往,目前有2位外籍教授、6名外籍留学生,分别来自德国、法国、加拿大、巴基斯坦等国家。

潘建伟院士

我们来比较一下拉比、鲍林和潘建伟。他们的成长道路很相似,都是先到先进国家学习,然后回国建立团队,把本国提升到先进水平。有些过于保守的人反对出国留学和对外交流,认为关起门来自己搞才是正道,这固然是错误的。但更多的人是过于悲观,认为中国永远都只能跟在人家后面跑,不可能搞好科学,这就更加错误。我亲耳听到过地位很高的人言之凿凿地说“中国人不会创新”,这种人的危害比保守派要严重得多。正确的态度是,“世上无难事,只要肯登攀”。如果说中国没人才,那么耐心培养不就是了?以中国人的文化底蕴、勤奋程度和天分,只要按照科学规律做事,持之以恒地投入,没有做不成的。

科技新闻在你身边

对以上各个结论,人们有一些常见问题。下面我们来拟一个答客问,解释一下若干常见的误解。

问:中国的科学已经这么厉害了?我怎么感觉不到?

答:因为你没有关心这方面的消息。如果你关心的话,就会看到很多。例如2015年3月,理化所和清华大学制备了一种液态金属机器人,含镓的液态合金吸收一小片铝以后,就可以在电解质液体中运动很长时间,能够蜿蜒前进和变形,被比喻为终结者。

2015年3月,军事医学科学院生物工程研究所和天津康希诺生物技术有限公司联合研发出了2014基因型埃博拉疫苗,针对性强,稳定性好,并具备大规模生产技术条件,优于美国、加拿大的需零下80度冷冻保存的1976基因型疫苗,已经治愈了一名英国女兵和一名意大利男护士。

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