尋找和發(fā)現科學發(fā)展前沿的新生長點

        后來，郭光燦以優(yōu)異成績考入著名的泉州五中，三年后被保送上高中。在高中，郭光燦兩年就完成了三年的學業(yè)。1960年，郭光燦考進中國科技大學無線電電子學系，中科大的學術氛圍深深感染了他。那時侯，嚴濟慈、華羅庚等老一輩科學家都在為科大學生上課?？茖W家們嚴謹治學的風格和縝密的思維方式也給了他深刻的影響。
        郭光燦院士說，最重要的是他始終有一種對科學的激情，他始終在尋找和發(fā)現科學發(fā)展前沿的新生長點，挖掘最有可能做出成果的突破口。
        他在中國科技大學本科學的是無線電，畢業(yè)后他卻“迷”上了當時熱門的激光。于是郭光燦開始了科研方向的首次轉變，從無線電系轉到物理系，著手開展氣體激光研究。那時候，國內大多數人都在研究氦—氖、氬離子、二氧化碳等“老三樣”，但他就是要琢磨點“與眾不同”：選擇氮氣作為自己的研究對象。1974年，他和同事成功研制出國內第一臺氮分子激光器，并榮獲當年全國科學大會獎。 
        文革結束后，國內激光學研究如火如荼，他又出人意料地去打造“鉆石”了。1981年，郭光燦到加拿大多倫多大學做訪問學者，發(fā)現“量子光學”在國際已經發(fā)展20年，而在國內仍是一片處女地。雖然與本專業(yè)相距甚遠，但是他還是決定轉向量子光學。為迎頭趕上，郭光燦花了大量時間與精力去自學，甚至與研究生一起去聽量子場論這樣的理論物理基礎課。那段時間，他每天都要學到深夜兩點，幾乎生活在被人遺忘的空間里，結果不久在光場非經典效應等方面做出重要成果。 
        然而，創(chuàng)新和轉變的腳步并沒有就此打住。郭光燦說：“如果一個學科已經發(fā)展成熟，一流科學家做出的往往是二流科學家的工作；如果一個學科處在萌芽初期，二流科學家則有可能做出一流科學家的成就?！鄙鲜兰o90年代初期，量子信息研究在國際上剛剛起步，郭光燦敏銳地覺察到此領域“別有洞天”。 
        他認為，在量子信息學領域，只要選擇有分量的課題深入研究，一定能出成果。于是郭光燦以量子密碼學和量子編碼兩個方向為切入點，領導課題組進軍量子信息研究領域。尤其是在量子編碼克服消相干方面，利用原有的量子光學研究基礎，該課題組發(fā)現了相干保持態(tài)，進而獲得量子避錯編碼方面的一系列成果。后來又首先在國際上提出了量子概率克隆的方法，被國際學術界稱為“段—郭概率克隆機”、“段—郭界限”。 
        郭光燦說：“科研不能只在傳統領域‘炒剩飯’，必須根據學科發(fā)展和國家需求不斷拓展新的科研領域，尋找新的生長點，求‘變’才能出新?！?

        量子信息學：平等的“起跑”機會

        上世紀90年代，對于郭光燦來說，學術研究是寂寞的。當時，國內從事量子信息研究的寥寥無幾。他日常性的工作就是科普，逢人就解釋諸如“量子是什么”、“量子糾纏是什么”的“掃盲”工作。 
        “量子糾纏”是什么？郭光燦說，量子糾纏“就像一個母親和她的女兒，分別居住在中國和美國。在美國的女兒懷孕了，當她生孩子的一瞬間，哪怕遠隔千山萬水，不用電話通知，遠在中國的母親就順理成章地變成了外婆?！边@是郭光燦做科普報告時最常打的一個比喻?！凹m纏是一種非常奇怪的性質，兩個粒子無論分開多遠，對其中一個粒子操縱或者作用，必將影響另一個粒子的態(tài)。” 
        1996年，量子計算機的先驅之一Bennett在《自然》雜志上聲稱，量子計算機將進入工程時代。這就意味著，傳統密碼學可能遭到徹底顛覆，信息科學會因為新技術的出現而重新“洗牌”。當時，在西方各國，相關研究如火如荼，方興未艾。而國內對此領域持續(xù)跟蹤的，掰著指頭數，也就數中國科技大學郭光燦了。 
        郭光燦說，比賽最怕輸在起跑線上。“以激光和微電子為代表的現代技術，我們是遠遠落后的?！痹缭谏鲜兰o60年代，日本就看到半導體取代電子管的趨勢，大力發(fā)展微電子基礎研究，而當時的中國還在積極引進蘇聯的電子管廠。 
        1998年，在著名科學家王大珩的推動下，召開了一次量子信息學的香山會議。時任科技部部長的朱麗蘭看了與會名單，深感參與的單位太少。國內鮮有人知的量子信息學，大有“養(yǎng)在深閨未人識”的感覺。 研究經費少，學術爭議大，郭光燦的研究工作開展得異常艱難。“當時真有點孤家寡人的感覺”，他回憶說。 由于很多人對此領域完全不了解，郭光燦幾度申請項目，都遭到了否定。他經常一人背著笨重的電腦往返于全國各地，向專家和科技部門宣傳講解量子研究的重要意義。

        帶來量子因特網的曙光

        郭光燦院士介紹，今年3月，由他領導的中科院量子信息重點實驗室，利用自主創(chuàng)新的量子路由器，在北京網通公司商用通信網絡上完成了四用戶量子密碼通信網絡的測試運行，并確保了網絡通信的安全。這是迄今為止國際公開報道的唯一無中轉、可同時、任意互通的量子密碼通信網絡，標志著量子保密通信技術從點對點方式向網絡化邁出了關鍵一步。
        數年前，美國科學家曾提出了構建量子因特網的設想，但有關研究進展艱難。有關專家表示，這次實驗的成功，也為量子因特網的發(fā)展奠定了基礎，使量子因特網的問世露出了“一線曙光”。 
        網絡時代，網絡信息安全一直是困擾人們的一大難題。據專家介紹，現代密碼技術是建立在算法復雜度基礎上的。隨著分布式計算和量子計算機的發(fā)展，現代密碼在原理上都可以被破譯，通信安全隱患十分突出。而根據量子力學基本原理，量子信息無法復制，任何截獲或測量操作都會改變量子的狀態(tài)，都會被通信者發(fā)現。因此，量子密碼在原理上是“無法破譯”、“絕對安全”的。 
        但要將量子密碼應用于網絡通信，國際學術界面臨兩大難題。其一是量子密碼系統的穩(wěn)定性問題，即要經受得住商用通信網絡環(huán)境下的各種干擾。2004年，郭光燦領導的研究小組在北京和天津之間成功實現了125公里光纖的點對點的量子密鑰分配，解決了量子密碼系統的穩(wěn)定性問題。 
        另外一個難題，是在量子信息不能測量，測量就會被破壞的前提下，網絡在傳輸中如何自動找到特定的路徑，將信息完整準確地傳送給對方。為解決這個難題，郭光燦領導的研究小組巧妙利用波分復用技術，設計出國際上第一個量子路由器，解決了量子信息自動尋址難題，使量子網絡中任意一個用戶都能自由選定網內任意用戶與其實現量子密碼通信。 
        不久前，郭光燦課題組在北京網通公司的商用光纖線路上進行多用戶測試。用戶之間最短距離約32公里，最長約42.6公里。測試系統成功演示了一對三和任意兩點互通的量子密鑰分配，并在對原始密鑰進行糾錯和提純基礎上，完成了加密的多媒體通信實驗。 
        量子密碼通信網絡是當前國際上熱門的研究課題之一。歐洲、北美和日本投入了大量的人力物力進行研究，并提出了多種網絡拓撲結構和尋址方式。有關專家認為，由郭光燦等人完成的量子密碼通信網絡在商用光纖上可以長期穩(wěn)定運行，性能優(yōu)于國際上現有的其他量子密碼網絡方案；同時，在目前的技術條件下，它能擴建成擁有數百個用戶的量子密碼通信網絡?！傲孔用艽a通信網絡測試運行成功，意味著量子密碼通信在一個城市進行商用的關鍵技術得到解決。”郭光燦表示，“如果一個城市有建立量子密碼通信網絡的需要，相關的技術應該可以在數年內解決。”
        2009年5月18日上午，中國科大在蕪湖市廣播電視中心舉行的成果發(fā)布會上宣布，郭光燦院士在蕪湖市建成了世界上第一個“量子政務網”，并投入試運行。量子政務網采用了我國具有全部知識產權的單向量子保密通信方案和設備，以及量子保密通信網絡核心組網技術，標志著我國量子保密通信技術已經正式步入應用軌道。 
        首期建成的蕪湖“量子政務網”連接了市科技局、招商局、經貿委、總工會和質監(jiān)局等市政機關以及蕪湖市電信大樓的八個用戶，設置了四個全通主網節(jié)點和三個子網用戶節(jié)點，以及一個用于攻擊檢測的節(jié)點。該網絡融合了國際上現有的三種組網技術，首次設計出具有多層次、旨在滿足不同用戶需求的多功能量子保密通信網絡，通過該網絡可以完成任意兩點之間的絕對保密的通信過程，不僅可以實現保密聲音、保密文件和保密動態(tài)圖象的絕對安全通信，還能滿足通信量巨大的視頻保密會議和大量公文保密傳輸的需求。 
        蕪湖“量子政務網”所使用的核心器件和設備，包括最關鍵的光電調制芯片，全部為我國自主研發(fā)或與國內單位聯合研制，整個網絡已經實現國產化。這一成果使我國具有全部知識產權的單向量子保密通信方案和設備，以及量子保密通信網絡核心組網技術真正在實際工作中得以應用。蕪湖“量子政務網”的建成標志著我國量子保密通信基礎研究的成果，已經開始向產業(yè)化轉化。
        蕪湖“量子政務網”的建成是科技部、基金委和中國科學院等長期支持的結果，標志著從長期堅持不懈的基礎研究中誕生出來的這項新技術，已經成為量子技術新產業(yè)的生長點。