徐飞虎:下面回到量子成像或关联成像的主题,这个领域可能的局限性在哪里?针对量子成像,有哪些值得关注的科学问题或是未来主要的发展方向?两位老师能否发表一下自己的看法。
吴令安:我认为局限性肯定是成像速度,以前量子成像需要经过上万次的采样才能成像。未来的突破我觉得就是大家当下所做的工作,包括汪老师的实验,我们现在能够做到实时成像,这放在以前是完全无法想象的。成像速度提升了,它的可视性也就增加了,这是有实际用处的。
徐飞虎:吴老师,我一直关心这样一个问题:量子成像大家做了很多,这个领域马上要面向应用了,您认为这项技术到底能够对哪些实际应用产生帮助?比如很多人都会说,我用相机进行观测就行了,为什么还要用到量子成像或关联成像技术?
吴令安:这就像激光器一样,激光器诞生之初时,曾有人说它是“A solution in search of a question”;再比如说汽车,汽车刚诞生时还没有马车跑得快,但后来的发展也是有目共睹的。
汪凯戈:我们现在写文章时,都会描述量子成像技术未来的应用前景,但这项技术未来是否能够用到产品里,这一点我们说了不算。前两天晚上,我和西安交通大学陈辉聊天,他说他目前正在做这件事,已经有了进展,在和客户谈这些问题了。所以说,当我们在文章里描述技术前景时,反而没有什么,必须是搞工程的人把它拿去用,做出产品赚到钱,才能够真正体现其实用价值。
就像现在炒得很火热的一些技术,总有人说这项技术很厉害,能够“马上”改变当下的某种技术格局、“即将”改变人类的生活现状等,但往往这些都是将来的事情。我还是觉得,只有当真正产业化后,才能够令人心服口服。
徐飞虎:回到量子成像技术本身,您认为在理论或是基础科学研究的角度上,是否还存在一些未解的难题?
汪凯戈:我认为目前量子成像技术的理论框架已经很清楚了,看上去没有什么问题,但作为科学研究的一个分支,这项技术未来肯定也会有新的发展。比如说今天厦门大学陈理想谈的那些事情(编者注:指陈理想教授在第十四届全国量子成像学术会议上的报告),我觉得很有意思,如果他真的用经典热光源做出了传态,我们就需要思考新的理论解释了。所以说很多东西都难以预料,目前看来理论框架都很清楚,但难保说这项技术还有多久才能研究到头。徐飞虎:吴老师,您早期不仅做了量子压缩态的实验,您还是咱们国内早期第一个完成量子密码实验验证的人,从您自身的角度出发,转变研究方向,并且取得出色成绩,这一点是否有一些可以分享的心得体会?我觉得这一点也是很多年轻学者想问的,毕竟有时候大家集中研究某个方向,但这个方向可能没法提出更多的科学问题,所以就需要开辟新的研究思路。但对于很多人来说,转变研究方向,跳出“舒适圈”是很困难的事情。吴令安:我的回答可能会令你失望,我其实是被“逼”出来的。最初我在非线性动力学方面的实验做不出来,导师便让我更换研究方向转做压缩态,没想到我成功了,并且取得了比原方向更有意义的研究成果。回国后,别人原以为我要继续搞这个方向,当时杨国桢所长还让我申请院长基金,专门建立实验室去做。那个时候我的实验室是在一楼朝北的房间里,虽然把窗户封闭了,但一刮风仍然满屋子灰尘(那时候根本没有超净室)。实验室刚建立起来的时候我很高兴,马上恢复了我的环形激光器,当时我用国内的晶体做倍频,出来的功率比在美国时得到的结果还高;但第二天光功率就掉下来了,原因就是镜子表面都被污染了,激光器腔内功率高了会把污点烧在镜片上;当时山西大学彭堃墀老师也遇到同样的问题。
当时我想,这样一直耗着也不行,我得转方向。那整整一年时间里我没有拿到任何基金。后来在图书馆,一次偶然的机会,我看到了一本介绍量子密码学的书,觉得挺好玩的。但最终选择量子保密通信,其实并不是我自己想做,是因为我觉得这项技术对国家安全来说很重要。一开始时,由于太过超前,导致这项技术在国内关注度不高。1994年在庐山开的全国量子光学会时,我做了介绍量子保密通信的报告,因为第一次讲可能讲的不清楚,全场似乎只有两个人听懂了。过了一段时间,中国科学院研究生院信息安全实验室请我去做报告,听完后,他们立马就明白了,因为他们毕竟是懂行的。后来他们申请到了院长基金并且与我合作,他们派学生来物理所一起做这项实验,但在做第一个实验时我还没有这些支持。
在筹备第一个量子密钥分发实验时,我凑巧看到对面同事的实验室里闲放着一套单光子计数的仪器;同事慷慨地让我拿走。1994年秋,一名清华大学电子工程系的本科生,邵进,来我实验室做毕设。当时我没有经费,就把家里老的Apple计算机拿来和实验室的Apple机配对;电光调制器是我用铌酸锂晶体做的,上面自己涂了导电胶;随机单光子源是用4个几毛钱一个的发光二极管加上偏振片做的。后来实验写成文章《用单光子偏振态的量子密码通信实验》,发表在国内《量子光学学报》的首刊上。这个实验最大的创新是使用了4个完全随机的单光子信号源,没有用电光调制,接收是用电光调制器测量的。后来拿到了研究生院信息安全实验室的经费支持,就用光纤做实验了。当时我觉得量子保密通信应该是国家的大项目,并且未来要实现工程化,我自己没有这个能力、物力和人力,所以就让郭光灿老师和潘建伟老师去做了。
1995年国内第一个量子保密通信试验所用的Apple II 计算机和Alice的偏振光源(光源为自制的前面加了不同偏振方向滤光片的4个发光二极管)汪凯戈:后来我也鼓动她来做量子成像方面的工作,因为当时我没有实验,所以就想鼓动她一起来做这件事,加上我们系的熊俊老师,我们都准备搞这方面的实验。吴令安:这件事还要感谢美国University of Maryland at Baltimore County的史砚华教授;2000年他邀请我去他那里工作访问,在他的组里参加了基于参量下转换的纠缠光子对的量子“鬼”成像实验。当时我在物理所忙着做量子保密通信的实验,没有考虑研究鬼成像,也没有钱购买飞秒激光器,但帮助了他购买国内的BBO晶体。后来史砚华2004年来北京,建议我做热光源的鬼成像。
徐飞虎:汪老师,我看您和吴老师后来还共同在PRL上发表过文章,能否分享一下你们的合作历程?
汪凯戈:这个合作原先是学生在交流的,我校的宋新兵(北京理工大学光学物理系副教授,研究主要在关联成像与干涉、光束调制、多光子量子态等方向)原来老是喜欢找物理所的罗开红(毕业后去德国,一直在从事集成光学的研究)讨论这个问题,后来大家觉得这个工作可以一块完成,并且一同发表。
吴令安:Talbot效应原先是我的学生罗开红想做的,但我们没有激光器,北师大他们恰好有这个实验条件,所以就促成了这样一个合作。
汪凯戈:宋新兵找罗开红讨论问题次数多了,罗开红就建议找老师一起研究,大家一同把问题搞明白。实际上宋新兵不是我的学生,他是张向东老师(现在为北京理工大学特聘教授,致力于光子晶体和低维纳米结构的物理特性及其应用研究)的学生,我当时已经退休,不能招收博士生了,所以我在文章里只是普通作者,张老师是通信作者。
徐飞虎:在合作过程中,您对吴老师评价如何?
汪凯戈:我们经常还是有一些讨论,由于她一直负责实验,我专门做理论,所以没有学术上的争执。但我平时有很多英语上的问题,要请吴老师帮助。我们俩日常交流很频繁,时不时地就会电话联系一下。一开始的时候我们没有想过合作,但是从热光关联成像这件事开始,我们都希望可以通过合作的方式把实验做起来。
徐飞虎:另一个问题,汪老师,您之前在青岛还专门送我一本您写的书《高等物理光学》,这本书让包括我在内的很多人受益匪浅。您写书花费了多长时间?现在还花时间修订和补充么?
汪凯戈:这本书主要是从我的讲义中拓展出来的,因为我最早学的不是量子光学,而是半导体物理。当年毕业时导师原本准备让我去北京邮电大学(以下简称北邮),因为北邮有半导体相关的实验室,但后来北邮给我发的调令比北师晚,所以我就去了北师。到了北师以后,没有条件继续半导体物理的研究了,为了工作和研究需要,我开始阅读一些量子光学方面的书籍和论文,如英国Loudon的“光的量子理论”,Roy J. Glauber撰写的相干的量子理论等。一边阅读,一边做笔记,这样就逐渐将看到的东西总结了下来,形成了讲义,然后就可以给研究生开这方面的课程。这套光的量子理论对我而言满足了我年轻时代对理论物理的追求。虽然相对简单,但可以用它去独立做一些光学方面的研究工作。在我授课的那些年里,讲义也不断地做增补删改,一开始还是用油板刻的,后来就慢慢变成Word打印。到了退休以后,我还是没有功夫将它整理出版,直到2015年,我的70岁生日后,才逐渐萌生了出书的念头。我开始全力以赴来整理这本书,其中包含了我的一些科研成果。大约用了两三年就撰写完成,2018年我将原稿交给了高等教育出版社,2021年就出版了书籍。现在我已经不再上课,这门课由两位年轻的老师教授,他们时常也会给我提出一些建议。如果这本书后面要再版的话,我觉得可以做出一些修订和补充。
另外,我也有一个新的想法:再整理一本与量子成像技术相关的书籍。目前我在准备材料,编纂这本书的工作量很大,我希望能够在我有生之年完成这本书。和教科书不太一样,未来这本书可能会更偏向于介绍最近二十多年来有关量子成像科研方面的内容,我准备从自发参量下转换过程讲起,系统性地介绍量子纠缠态、单光子和双光子态,比较纠缠态的量子关联与热光的强度关联的基本物理性质,和它们在量子成像中的各种应用等等专业知识,我希望研究生可以通过阅读这本书,搞懂量子成像这套理论和技术。
2010年1月8日,汪凯戈教授邀请诺奖得主Glauber教授访问北师大并参观光学实验室徐飞虎:两位老师对科研抱有“纯粹”的兴趣,是很多老一辈科研工作者的代表。但如今社会与以往不同,对于像您二位一样,抱有“纯粹”科研理想的年轻学者来说,他们目前面临的压力不小,比如职称、基金等。两位老师能否给青年学者提出一些建议,大家要如何才能在现实环境中保持本色,并且产出高水平的学术成果?吴令安:由于当时的时代背景,我们两个都是一度失去了受教育机会的人,所以后来就更加珍惜回到科研战线上的机会,想把失去的时间补回来。
汪凯戈:我们这一代人的经历,是时代变迁所造就的,我们经历了从解放前到解放后的那段岁月,在二十世纪六十至七十年代的十多年里物理研究就暂时搁置了,但这也仅仅是晚了一点而已,也并不是说不能继续做。对我们这代人而言,我们更像是过渡的阶层,一方面我们承担着将国外先进技术带到中国的责任,另一方面,我们还需要肩负起培养年轻人的使命。现在年轻人比我们当年的条件要好很多,起码从小就能够接触到科研相关的信息,并且有很多机会出国深造,这些都是我们羡慕的,也是时代所决定的。对我个人来说,科研不仅是工作,更是一种乐趣,我就是觉得做这个东西好玩,相信吴老师更是这种感觉,她不能离开这个实验室。
吴令安:我自己现在没法亲自动手了,眼睛也不行了,但我每天都愿意去实验室里看一看,我去办公室待着的时间分为“三段”,早饭后、午饭后、晚饭后。
汪凯戈:我了解吴老师,早上吃完早饭去办公室,吃完午饭后回家休息,下午又来办公室,晚上吃完晚饭还在办公室,然后到十点多、十一点左右回家。我知道在晚上十一点前给吴老师打电话,她肯定还在办公室,有时候我们就会聊上两句讨论问题。
吴令安:如果是十一点来的电话,我就知道是他。
吴令安:我觉得身体是革命的本钱,年轻科研工作者也要多注重锻炼身体。我喜欢游泳,今年七八月,中国科学院的游泳池开放,有空我就会去,锻炼锻炼。
徐飞虎:谢谢两位老师的分享,尤其是关于锻炼身体的建议,我想“有事做”、“多锻炼”正是两位老师长寿的秘诀。两位老师也即将迎来八十岁的生日,我代表COL向二老表示祝贺。期刊是学术交流的重要媒介,两位老师也通过担任一些期刊的编委或审稿人等角色来为服务光学群体。作为学术界的前辈,两位老师对包括咱们COL在内的国产光学期刊,有哪些未来发展的建议或者意见?
汪凯戈:我比较反对“以刊评人”的现象,期刊如何,并不一定真实反映出文章和工作水平如何。我去看很多发表在所谓一区期刊上的文章,虽然引用量很高,实际上也就是那么回事,无非就是显得漂亮一些,“忽悠”成分多一点,但许多文章并没有从本质上实现对概念的突破,没有很多新的物理层面上的东西。大家为了职称和基金,都在拼命往上面挤,过分看重期刊排名和影响因子,就不是一件特别好的事情了。当然科研成果评价本身也是一件较困难的事。
所以说,目前期刊发展面临的问题还是有的,但很多问题不仅在中国科研界中存在,放在世界范围里也是屡见不鲜。相信在未来,国家能够从一定程度上纠正这种风气,同时我也有信心。听开幕式的时候韩申生老师介绍,COL近两年进步明显,和经典的Optics Express (OE)、Optics Letters (OL)等期刊可以相提并论了,我自己也能感觉到有不少国产期刊奔着目标在踏踏实实做事。我是很愿意写一篇好文章发表在COL上的,国产科技期刊的质量和影响力提升需要大家共同努力。
吴令安:有些国内的期刊很奇怪,他们不会给你反馈原本的审稿意见,而是从中摘出几条,有时候你根本搞不懂审稿人前后的意思是什么。对标一些诸如Physical Review A(PRA)、PRL这样高水平的国际期刊,我们国产期刊还有不少可改进的地方。
我对于国内科研发展还有一个想法:当下,很多单位都要求文章标注的第一作者必须是本单位的才算数,还有“第一单位”, “第一基金资助”,这样做会抑制交叉学科研究的发展。比如说我做了一个生物物理方面的研究,这个项目同时获得了好几个口子的支持,那么我应该将生物口的基金放在第一,还是将物理口的基金放在第一?这个不是期刊的问题,但我还是希望借助你们的平台去呼吁一下。
其实,我和中国激光杂志社结缘很久了,一开始的时候最早的期刊叫《激光》,后来改名叫《中国激光》,再后来《激光》要出英文版,也就是COL的前身Chinese Journal of Lasers B(《中国激光B》),我还曾帮忙翻译过一些文章。那时编辑部的办公室负责人现在好像也早就退休了!在这里,我也祝愿老朋友COL和中国激光杂志社旗下其他期刊都能够越办越好。
徐飞虎:好的,感谢两位老师接受我们的专访!我觉得两位的分享非常鼓舞人心,也让我们了解了许多关于两位的有趣故事。最后,我要感谢Chinese Optics Letters 组织本次专访,让我们有机会与两位老师交流。汪凯戈&吴令安:谢谢!
以吴令安研究员、汪凯戈教授80大寿为契机组建的COL量子成像专题发布仪式及赠书庆生仪式。
徐飞虎,中国科学技术大学学士、多伦多大学博士、麻省理工学院博士后、中国科学技术大学教授。入选美国光学学会会士(2022)、教育部长江学者特聘教授(2021)、国家海外高层次青年人才(2017)等。主要研究方向包括量子网络、单光子成像等量子信息科学。在Reviews of Modern Physics、Nature等期刊发表论文100余篇,引用总计10000余次。担任npj Quantum Information 和Advanced Imaging 期刊副主编、国际量子密码大会指导委员。获科学探索奖、英国物理学会国际量子技术青年科学家奖、中国科学院青年科学家奖、35岁以下科技创新35人等。