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【科学时报】郭光灿院士:甘坐冷板凳的研究生

发布时间:2009-10-19
国际学术刊物《物理评论通讯》最近发表了以我们实验室(中科院量子信息重点实验室)研究生李科为第一作者的论文,题目为《量子信道私密容量不可加》。
 
该篇论文解决了包括权威专家在内的国际学者10多年来未能解决的量子信息论研究中的一个难题——“量子信道私密容量不可加性”。我们知道,量子信息论是量 子信息科学的理论基础。信道容量是通信领域中最基本的理论问题,它刻画通信信道在噪声环境中可靠地传输信息的能力。著名数学家、信息论创立者香农 (Shannon)精确而漂亮地解决了经典信道的容量问题,这就是著名的香农第二定理。在创建量子信息论过程中,人们必然要研究量子信息容量问题。比起经 典信道容量,这个问题更加深刻、更加复杂。量子信道是指基于量子纠缠的信息通道,它不仅可用来传输通常意义下的经典信息,而且能够传输保密的经典信息和神 秘的量子信息。因此,这三种信息的容量(即经典容量、私密容量和量子容量)便成为量子信息领域的核心理论问题,吸引着国际学术界众多科学家开展研究,并取 得了很大的进展。令人震惊的事情发生在2008年,来自IBM研究院的史密斯(Smith)和洛斯阿拉莫斯国家实验室的雅德(Yard)发现了上述三种容 量之一的量子容量是不可加的。亦即,两条不同的量子信道传输量子信息的总能力超过了它们各自传输量子信息能力之和。这种奇异现象是香农的经典信息容量绝不 允许出现的。
 
李科的论文首次证明了量子信道的另一个容量即私密容量也是不可加的,解决了多年来悬而未决的难题。同时,再次认证量子容量的不可加性,但李科的证明却推翻了以往学术界认为量子容量的增量是来源于单条信道的私密容量这一猜测。
 
量子信道容量的不可加性真是个令人惊奇的发现。它就像一个人的左耳和右耳都听不到声音,但是两只耳朵一起用却听得十分清楚,令人不可思议。这个发现表明, 量子信道传输信息的能力不仅仅取决于信道本身的性质,还与它所处的环境紧密相关。由此可见,在量子世界中,容量作为信道传输信息能力的度量,已经不如香农 的经典容量那么本质。
 
两位审稿人对论文给予很高评价,认为该篇论文的证明使量子信道三种容量不可加的三部曲得以完成。论文的构造具有普适性,因此可以确信,信道容量的不可加性是量子通道的一个非常普遍的现象。这就是李科这篇论文的有趣故事。然而,我更想讲的是研究生李科本人的故事。
 
李科于2004年由我校信息学院免试推荐到我们实验室就读硕博研究生。他对信息论有着浓厚的兴趣,很快就选定量子信息论作为他的研究生论文课题。他刻苦用功,兢兢业业。
 
然而将近4年过去了,与他同期入学的研究生都已发表了多篇SCI论文,有的还获得研究生的各种奖项,许多同学开始忙着为毕业后的未来寻找出路。而李科却连一篇论文也没有写过。我们了解李科的志向和作为,从不催促他写论文,每月照样发给他与其他同学同样的助研补贴。
 
听说印度将举办一次有关信息论的国际会议,3位国际权威都要出席本次会议,李科希望去参会,以便与这些权威们讨论问题。我们破例让他出国开会。因为按照实 验室规定,研究生起码应有张贴论文发表,才允许出国参加会议,而李科什么论文也没有。会后,为了进一步扩大他的视野,使他能够与同行进行更深入的探讨,实 验室主动按照公派出国的标准资助他到英国,跟本领域的著名学者温特(Winter)学习交流半年。半年后,他仍然空手回来对我说:“温特说我选的课题太 难!”
 
眼看到了毕业时间,按照他的能力完成几篇相当不错的SCI论文,以求毕业并不难。于是,我问:“那你是继续攻克这个难题还是先选个较容易的课题做?”李科 毫不犹豫地回答:“我坚持做下去。”说实在的,他是否能做出来,当时我心里也没有底,毕竟是个国际性难题,不少专家学者多年来都攻克不下。但他的坚定感染 了我。我们明确地支持他的选择。只要他不放弃,我们会一如既往地支持!就这样,面对着同期研究生写论文、找工作的繁忙情景,李科依然如故、默默耕耘,坚持 不懈、不为所动。
 
终于,有一天,他敲开办公室的门,平淡地对我说:“这次我成功了!”我听了很高兴,但这毕竟是个难题,来不得半点闪失。因此,我要他将证明发给英国的温特 教授,请他详细审查论文。不久,温特教授很高兴地发来电邮,证实李科确确实实攻下了这个难题。今年春节期间,恰好温特教授到新加坡访问一个月,李科立即去 新加坡,与温特教授仔细推敲论文的全部运算细节。最后,终于完成了这篇论文。
 
在今年的亚洲量子信息国际会议上,李科的论文被选为大会长报告(Long Talk),受到包括本奈特(Bennett)和肖尔(Shor)等国际权威在内的与会者的好评。这就是研究生李科的故事。我无法预计李科未来的学术成就 会有多大,但是我相信,以纯静心态献身于科学事业的理念将会伴随着他的一生。
 
在我们民族复兴的历史征途中,倘若能有更多像李科这种淡泊功利、精心学业的年轻人,何愁不会从中涌现出国际级的学术大师呢?然而,环顾四周,热衷于搞“短 平快”立竿见影的研究者比比皆是。科学研究作为人类探索自然的高尚事业正被有些人搞成谋取名利的道具。而急功近利的评价导向又将这种弄虚作假、肆意炒作的 风气推演得愈加激烈。像李科这类研究生或年轻人确实很难找到他们生存发展的空间。我国学术界不乏有明白人,不时地呼吁要纠正不良学术风气,纯正科学共同 体,无奈成效甚微。这篇短文无非是对这些呼吁的一声附和而已:请给予那些痴迷科学、甘做冷板凳的年轻人更大的生活空间吧!他们是科学事业的希望。
 
(作者系中国科学院院士、中国科学技术大学教授、中科院量子信息重点实验室主任)
 
《科学时报》 (2009-10-19 A1 要闻)