袁岚峰:科普需跟一线研究人员接触,传出正确内容

【采访/观察者网 李泽西】

观察者网袁老师,您在2021年发布的《量子信息简话》中,提到了自己本来不是量子专业的,也没有直接从事这方面的研究,您原来的专业是理论与计算化学;为了写这本书,您也算是学习了一个新的领域,可否分享一下您快速学习新领域的一些技巧?

袁岚峰:量子信息是近40年来新兴的交叉科学,就是量子力学加上信息科学的交叉科学。最近有些学校新开了一个一级学科,叫做量子信息科学,因为他们越来越重视量子信息的发展。

我的一级学科是化学,理论与计算化学算是二级学科,有时候我也会说我的二级学科是化学物理。理论与计算化学最大的特点是不做实验。传统上,当你提到一个人是化学家,你脑海里面首先浮现出来可能是一个穿着白大褂,甚至还戴着护目镜,然后经常做实验、烟熏火燎的。但是我从来不是,因为我知道自己的实验能力非常的不行。就像杨振宁研究生时期的那句笑话:“哪里有爆炸,哪里就有杨振宁。”所以后面他转到了理论物理,他的朋友说这对实验物理是一种幸运。

那么这个理论与计算化学跟量子力学是什么关系呢?量子力学是理论与计算化学的理论基础。首先,整个化学的理论基础其实就是量子力学,然后是理论与计算化学;其中绝大部分内容叫做第一性原理计算,就是给定一个体系里面有什么种类的原子,这些原子有多少个,它们处在什么位置。只要给定这些基本信息,就可以预测出这个体系的所有性质,在原则上它的一切都是可以计算出来的。为此要解非常复杂的薛定谔方程。第一性原理计算的大部分研究,就是怎么去解这个薛定谔方程,然后怎么去编程序,怎么把结果算出来,然后从计算结果当中提炼信息。

薛定谔方程设定的波函数模型图(图源:“纳米通讯”)

因此,我对于量子力学本来就可以算是相当熟悉的,因为那是我整天用的。量子信息当中,我不熟的是其中的信息部分;它是量子力学加上信息科学的一个交叉。书里面说过,我帮那些传统通信行业的人理解量子通信,比如说“奥卡姆剃刀”(著名科普作家、原军校通信专业副教授张弛博士),他的领导希望他开一门量子通信的课,他去看相关教材的时候就感觉满头雾水,因为他不懂量子力学,但是对于传统通信他还是非常熟悉的。我跟他们正好相反。

我最初学习量子信息,是因为侯建国老师,科大当时的校长,他给我们提议,说最近量子信息这个学科蓬勃发展,大家都应该去学习一下,我就稍微了解了一下。通过一点点资料,我就明白一件事情:2015年初新闻报道里面说的所谓,实际上叫做量子隐形传态。它是有一套明确的技术方案的,最终实现的效果是把一个粒子的状态转移到远处的另外一个粒子上去。它不是移动物质,而是移动物质的状态。当我看到大家对那个新闻都喊好但是不明觉厉的时候,我就觉得有必要向公众解释一下。这个事情完全是可以解释清楚的,但是不能指望记者,因为记者肯定从来没听说过这么专业的东西,所以写出来的全是这种语焉不详的报道。

我问了一下我认识的潘建伟院士研究组的同事陈腾云博士,他给我稍微解释了一下,然后我就写了一篇文章。我非常惊讶地发现,这篇文章的反响居然这么大,有很多人因此关注了我,尤其是像“奥卡姆剃刀”这样的人。后来我才明白,我是替他解决了这个问题,他不明白这个量子通信到底是怎么回事,现在知道它不是个伪科学,它不是个神乎奇迹的东西,它是完全符合物理原理的,而且它跟传统的信息论也没有矛盾。有些所谓科普文章说量子通信超光速之类的,把他的信仰都打破了,然后觉得天崩地裂一般。其实是这些所谓科普搞错了,量子通信是一个完全正规的东西。

这对“奥卡姆剃刀”留下一个非常好的印象,所以过了一段时间之后,他来找我,说是想请我去总参谋部做报告,讲量子通信。

我说,我又不是搞量子通信研究的,你们找我干嘛?

他说,其实他们首先来找的是他自己,然后他推荐我。

我说,我们国家研究量子通信的人多的是,找他们去就好。

他说,实际上已经找过了,第一步就是找他们,但是他们讲完之后还是听不明白,所以希望找一个能听明白的人,就来找我。

我说,好吧,既然是为国家出力,那就去吧。但是这对我来说是个非常大的挑战了,因为我在此之前并没有系统的学过量子信息。我之前已经买了一本非常著名的教材,叫做《量子计算与量子信息》。这本书但凡是关于量子信息的文章都会引用一下,所以成了现在整个物理学领域里面被引用最多的教材之一了。

在我去总参谋部之前,我有一个月的时间。那个月我闭门谢客,其他事情都顾不上,我告诉大家我得好好准备,我得赶快自己先把量子信息学一遍。我就在一个月里拼命啃这个教材,一边看一边提炼它的脉络,一边做笔记,决定我们到底要主要讲哪些部分。所以这一个月是高度紧张、同时特别充实的一段时间。

到了出发之前不久,我才把全书的提纲写出来,总结了这个书里面最重要的是什么,有哪些内容值得向大家讲。我的一位朋友帮我打印出来,我拿着赶快去上火车,讲课的PPT是在火车上做的!这是我印象中最紧张的一次“备课”的经历,因为首先自己要拼命的去学,然后在学的过程当中有问题就赶快提,尽快的形成一个脉络,才能拿去跟人讲。

那时,我总结出跟量子信息关系最密切的量子力学原理有三个(叠加、测量、纠缠),我把它们戏称为“三大奥义”,它们跟量子信息的关系是什么,这些都是看那本书总结出来的。我不但要将其看明白,而且还要飞快的做出一个提炼,想明白对于普通人来说最好的讲法是什么,就是这样一个巨大的挑战。但是我想,这也是一个人生当中非常难得的经验,是吧?如果不是因为有这样一个急如星火的任务,我也不会想到要以这么高的强度去学这个东西。但是学了之后当然也是很有好处的,因为我自己增加了理解。

那次跟总参谋部交流,他们也是非常重视的。在下午跟他们技术人员的对话中,他们提的问题非常的专业,都是真正在一线搞军事通信的人。很多问题我能答出来,但是也有一些问题我答不出来,而且这些确实是非常切中要害的问题。比方说,老有人在问的是,量子通信到底用的是什么编码方案。我说,这个问题问得非常好,书上是写了,但是我没有完全看明白,所以我的报告里全面讲了量子信息,量子通信只是作为其中一部分来讲,而且讲的是比较语焉不详的。我只是告诉大家一个最基本的原理,表明这东西可以实现,但是到底用什么具体技术方案,那本书写的确实不太读者友好,当时我是没有完全看懂。我最后表示得回去再请教一下专家,然后自己再好好研究一下。

那次交流对我自己收获也很大,我明白了他们一线的工作人员考虑的问题。而且这也让我明白,科普必须是你自己把所有的问题都理清楚,才能给人讲。如果你自己有地方糊涂不解,别人肯定能够想到,因为那也是他们真正关心的问题。所以这对我也是一个很重要的教益,科普一定要有针对性。如果有一个你自己都说不清的地方,你不要想着糊弄过去,肯定会有人来问

后来有一个契机,让我对量子通信大大的加深了了解。一年之后的2016年,我们发射了。卫星上天之后有一大堆的记者来采访,他们都把我看成一个量子信息专家,虽然我完全不是。

2016年,我国发射了墨子号科学实验卫星(图源:央视网站)

他们要我解读墨子号到底干什么的,量子通信到底怎么做的,在这个时候我也感到有点迷惑。许多所谓科普文章都会说,量子通信用的是量子纠缠,可是根据我对那技术的理解,我好像看不出来这里面到底哪一步用到量子纠缠。那时候我已经认识了一线做相关工作的人,比方说陆朝阳教授。他看我的微博,看到我写的那些文章,对于我能将他们这个领域解释得这么清楚感到大为吃惊。我当时打电话去问他们说,你们天地之间的量子保密通信到底是怎么做的,到底在哪用的量子纠缠?

陆朝阳的回答让我大跌眼镜,他说,我们根本就没有用量子纠缠。我们明明发的是单光子,哪有量子纠缠?量子纠缠需要至少两个粒子。

我说,既然这样,为什么那些科普上都说是用到量子纠缠?

他说,他们写错了,其实我们并没有。

这个也对我是一个重要的教益,我也不知道这是我们国家特有的状况,还是全世界都一样:有很多你看起来好像说的满有道理,人人都能接受的、科普界到处传的东西,其实是错的。所以是需要有人跟一线人员保持非常密切的接触,把正确的东西传达出来。

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