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甘坐冷板凳的研究生

上一篇 / 下一篇 2009-10-22 10:25:02

10月19日科學時評（作者：郭光燦）

□郭光燦

國際學術刊物《物理評論通訊》最近發表了以我們實驗室（中科院量子信息重點實驗室）研究生李科為第一作者的論文，題目為《量子信道私密容量不可加》。

該篇論文解決了包括權威專家在內的國際學者10多年來未能解決的量子信息論研究中的一個難題——“量子信道私密容量不可加性”。我們知道，量子信息論是量子信息科學的理論基礎。信道容量是通信領域中最基本的理論問題，它刻畫通信信道在噪聲環境中可靠地傳輸信息的能力。著名數學家、信息論創立者香農（Shannon）精確而漂亮地解決了經典信道的容量問題，這就是著名的香農第二定理。在創建量子信息論過程中，人們必然要研究量子信息容量問題。比起經典信道容量，這個問題更加深刻、更加復雜。量子信道是指基于量子糾纏的信息通道，它不僅可用來傳輸通常意義下的經典信息，而且能夠傳輸保密的經典信息和神秘的量子信息。因此，這三種信息的容量（即經典容量、私密容量和量子容量）便成為量子信息領域的核心理論問題，吸引著國際學術界眾多科學家開展研究，并取得了很大的進展。令人震驚的事情發生在 2008年，來自IBM研究院的史密斯（Smith）和洛斯阿拉莫斯國家實驗室的雅德（Yard）發現了上述三種容量之一的量子容量是不可加的。亦即，兩條不同的量子信道傳輸量子信息的總能力超過了它們各自傳輸量子信息能力之和。這種奇異現象是香農的經典信息容量絕不允許出現的。

李科的論文首次證明了量子信道的另一個容量即私密容量也是不可加的，解決了多年來懸而未決的難題。同時，再次認證量子容量的不可加性，但李科的證明卻推翻了以往學術界認為量子容量的增量是來源于單條信道的私密容量這一猜測。

量子信道容量的不可加性真是個令人驚奇的發現。它就像一個人的左耳和右耳都聽不到聲音，但是兩只耳朵一起用卻聽得十分清楚，令人不可思議。這個發現表明，量子信道傳輸信息的能力不僅僅取決于信道本身的性質，還與它所處的環境緊密相關。由此可見，在量子世界中，容量作為信道傳輸信息能力的度量，已經不如香農的經典容量那么本質。

兩位審稿人對論文給予很高評價，認為該篇論文的證明使量子信道三種容量不可加的三部曲得以完成。論文的構造具有普適性，因此可以確信，信道容量的不可加性是量子通道的一個非常普遍的現象。這就是李科這篇論文的有趣故事。然而，我更想講的是研究生李科本人的故事。

李科于2004年由我校信息學院免試推薦到我們實驗室就讀碩博研究生。他對信息論有著濃厚的興趣，很快就選定量子信息論作為他的研究生論文課題。他刻苦用功，兢兢業業。

然而將近4年過去了，與他同期入學的研究生都已發表了多篇SCI論文，有的還獲得研究生的各種獎項，許多同學開始忙著為畢業后的未來尋找出路。而李科卻連一篇論文也沒有寫過。我們了解李科的志向和作為，從不催促他寫論文，每月照樣發給他與其他同學同樣的助研補貼。

聽說印度將舉辦一次有關信息論的國際會議，3位國際權威都要出席本次會議，李科希望去參會，以便與這些權威們討論問題。我們破例讓他出國開會。因為按照實驗室規定，研究生起碼應有張貼論文發表，才允許出國參加會議，而李科什么論文也沒有。會后，為了進一步擴大他的視野，使他能夠與同行進行更深入的探討，實驗室主動按照公派出國的標準資助他到英國，跟本領域的著名學者溫特（Winter）學習交流半年。半年后，他仍然空手回來對我說：“溫特說我選的課題太難！”

眼看到了畢業時間，按照他的能力完成幾篇相當不錯的SCI論文，以求畢業并不難。于是，我問：“那你是繼續攻克這個難題還是先選個較容易的課題做？”李科毫不猶豫地回答：“我堅持做下去。 ”說實在的，他是否能做出來，當時我心里也沒有底，畢竟是個國際性難題，不少專家學者多年來都攻克不下。但他的堅定感染了我。我們明確地支持他的選擇。只要他不放棄，我們會一如既往地支持！就這樣，面對著同期研究生寫論文、找工作的繁忙情景，李科依然如故、默默耕耘，堅持不懈、不為所動。

終于，有一天，他敲開辦公室的門，平淡地對我說：“這次我成功了！”我聽了很高興，但這畢竟是個難題，來不得半點閃失。因此，我要他將證明發給英國的溫特教授，請他詳細審查論文。不久，溫特教授很高興地發來電郵，證實李科確確實實攻下了這個難題。今年春節期間，恰好溫特教授到新加坡訪問一個月，李科立即去新加坡，與溫特教授仔細推敲論文的全部運算細節。最后，終于完成了這篇論文。

在今年的亞洲量子信息國際會議上，李科的論文被選為大會長報告（Long Talk），受到包括本奈特（Bennett）和肖爾（Shor）等國際權威在內的與會者的好評。這就是研究生李科的故事。我無法預計李科未來的學術成就會有多大，但是我相信，以純靜心態獻身于科學事業的理念將會伴隨著他的一生。

在我們民族復興的歷史征途中，倘若能有更多像李科這種淡泊功利、精心學業的年輕人，何愁不會從中涌現出國際級的學術大師呢？然而，環顧四周，熱衷于搞“短平快”立竿見影的研究者比比皆是。科學研究作為人類探索自然的高尚事業正被有些人搞成謀取名利的道具。而急功近利的評價導向又將這種弄虛作假、肆意炒作的風氣推演得愈加激烈。像李科這類研究生或年輕人確實很難找到他們生存發展的空間。我國學術界不乏有明白人，不時地呼吁要糾正不良學術風氣，純正科學共同體，無奈成效甚微。這篇短文無非是對這些呼吁的一聲附和而已：請給予那些癡迷科學、甘做冷板凳的年輕人更大的生活空間吧！他們是科學事業的希望。

（作者系中國科學院院士、中國科學技術大學教授、中科院量子信息重點實驗室主任）