崔海濤的量子夢(mèng)

本刊記者 汲曉奇

崔海濤的量子夢(mèng)

本刊記者 汲曉奇

和我們熟悉的宏觀世界相比，無論是那只著名的薛定諤貓，還是兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)卻存在“心靈感應(yīng)”的粒子，量子世界的種種現(xiàn)象（假設(shè)）總是容易顛覆一些人們既定的認(rèn)識(shí)。

量子物理是20世紀(jì)最偉大的科學(xué)成就之一，有著許多與我們的生活經(jīng)驗(yàn)截然不同的神奇性質(zhì)。量子物理與信息科學(xué)結(jié)合誕生了量子信息。對(duì)于這門由物理學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)和信息科學(xué)的交叉，而衍生出來的學(xué)科的研究看似很復(fù)雜深?yuàn)W，卻是當(dāng)代物理學(xué)家們熱衷且樂此不疲的領(lǐng)域，來自安陽師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院的特聘教授崔海濤，正是在這一領(lǐng)域內(nèi)取得卓越研究成果的學(xué)者。迄今為止，崔海濤博士在量子信息領(lǐng)域共發(fā)表學(xué)術(shù)論文22篇，均為SCI

收錄，論文總引用次數(shù)174次（Web of Science），他引近100次（Web of Science）；2007年發(fā)表在Physics Letter A上的論文《A Study on the sudden death of entanglement》已被引用76次（W e b o f Science），他引73次（Web of Science）。其他論文亦有不同程度的引用。

樂于探索量子世界孜孜鉆研

1997年，崔海濤進(jìn)入東北師范大學(xué)物理系物理學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)。作為四大力學(xué)之一的量子力學(xué)，因其“充滿悖論”而引起了崔海濤的好奇心，并引導(dǎo)他逐步走上了量子信息研究之路。

量子信息在國際上屬前沿科學(xué)，在上世紀(jì)90年代，中國量子信息研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國際先進(jìn)水平。崔海濤剛開始從事量子信息研究時(shí)，當(dāng)時(shí)遭遇的最大困難是資料嚴(yán)重缺乏，那時(shí)電子資料不多，他只好勤跑學(xué)校圖書館查找、復(fù)印自己想要的文獻(xiàn)。

如今，經(jīng)過全球近20年來的研究發(fā)展，量子信息已被認(rèn)為可能是下一代通信和計(jì)算機(jī)的支撐性技術(shù)，并在目前進(jìn)入了早期產(chǎn)業(yè)化階段。如何搶占這一具有重大戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的新興產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)，成為當(dāng)前國際科技競爭中的一大熱點(diǎn)。

在這樣的國際大背景下，我國也于2006年9月發(fā)布了國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年），將以量子調(diào)控技術(shù)為代表的量子信息技術(shù)的研究納入到基礎(chǔ)研究重大科學(xué)研究計(jì)劃當(dāng)中。

在《綱要》的指引下，國家開始對(duì)量子信息研究給予大力支持。崔海濤的研究恰好占領(lǐng)了先機(jī)。

在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“幾何相與量子糾纏的理論研究”和“多體系統(tǒng)中的量子糾纏及其幾何分類的理論研究”的支持下，崔海濤帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在量子糾纏方向展開深入的探索，并取得了一些深刻的認(rèn)識(shí)。

至于為何要專注于量子糾纏的研究，崔海濤表示，目前的量子信息主要是基于量子力學(xué)的相干特征，重構(gòu)密碼、計(jì)算和通訊的基本原理。而其中，量子糾纏又起著非常重要且非?；镜淖饔?。一方面，許多重要的量子信息技術(shù)都需要量子糾纏的參與才能實(shí)現(xiàn)，例如量子遠(yuǎn)程傳態(tài)，量子保密通訊、量子密鑰分發(fā)等；另一方面，由于量子體系與其他自由度的相互作用，這種作用最終導(dǎo)致體系的自由度與其他自由度的量子糾纏，由于環(huán)境選擇的結(jié)果，量子體系的相干性質(zhì)會(huì)在逐漸消失，此即所謂退相干過程。

而時(shí)至今日物理學(xué)家們對(duì)量子糾纏這一奇特的物理性質(zhì)的理解卻是非常的有限，這已經(jīng)嚴(yán)重制約了量子信息技術(shù)的發(fā)展。因此建立對(duì)量子糾纏普遍的物理理解，是當(dāng)今量子信息領(lǐng)域最為急迫需要解決的問題之一。

勇攀高峰學(xué)術(shù)領(lǐng)域聲名遠(yuǎn)播

攀登科研的高峰，注定是一條寂寞的長路。

物理學(xué)，一個(gè)方程一大串，如果在求解的過程中方法不對(duì)頭，很容易產(chǎn)生放棄的情緒。

然而，憑借著對(duì)科研事業(yè)的拳拳摯愛與探索量子世界的濃厚興趣，崔海濤的學(xué)術(shù)之路倒也緊湊而充實(shí)。

計(jì)算機(jī)技術(shù)使我們進(jìn)入了嶄新的“信息時(shí)代”，給人類的工作和生活帶來了翻天覆地的變化，計(jì)算機(jī)的芯片布線密度已達(dá)到了0.18μm，而且計(jì)算機(jī)芯片的集成度遵循摩爾定律以大約每18個(gè)月1倍的速度指數(shù)增長。可以預(yù)見，在不久的將來，芯片元件就會(huì)達(dá)到它能以經(jīng)典方式工作的極限尺度。因此，如何突破這種尺度極限是當(dāng)代信息科學(xué)所面臨的一個(gè)重大科學(xué)問題。

同時(shí)，研究多自由度量子體系中量子糾纏的物理性質(zhì)，對(duì)于建立對(duì)量子糾纏物理性質(zhì)的普遍理解是非常重要的，也是當(dāng)前量子糾纏理論研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

這是因?yàn)槲覀兺ㄟ^對(duì)兩體糾纏的研究而建立起來的對(duì)量子糾纏的理解無法直接推廣三體或多體的情況。對(duì)于四體糾纏，情況則更為復(fù)雜，迄今為止仍無法建立一致的分類。

對(duì)于多體糾纏，物理學(xué)家們普遍相信總可以對(duì)其在SLOCC變換下合理分成可數(shù)的幾個(gè)糾纏類，其他任意的糾纏態(tài)可以從對(duì)某一糾纏類進(jìn)行SLOCC操作得到。然而，如何去尋找這些糾纏類，并沒有一個(gè)統(tǒng)一的觀點(diǎn)：SLOCC只是提供了一個(gè)最基本的游戲規(guī)則，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我們需要一些其他的規(guī)則或技巧，這些是什么正是理論上急需解決的問題。

“多自由度量子糾纏理論研究的另一個(gè)關(guān)鍵問題就是凝聚態(tài)系統(tǒng)的量子糾纏與多體效應(yīng)間的關(guān)系。”崔海濤表示。

基于上面的認(rèn)識(shí)，多體系統(tǒng)量子糾纏與量子相變的關(guān)聯(lián)最先引起了人們的興趣。

一般認(rèn)為，相變?cè)从诮M成系統(tǒng)的粒子間相互作用的共同結(jié)果，這種相互作用是粒子間廣泛關(guān)聯(lián)建立的決定因素。既然量子糾纏被認(rèn)為是一種特殊的關(guān)聯(lián)，量子糾纏不可避免地廣泛存在于多體系統(tǒng)中，并對(duì)體系的性質(zhì)產(chǎn)生不可忽視的影響。通過對(duì)相變體系中量子糾纏性質(zhì)的研究，人們期望可以建立對(duì)相變現(xiàn)象更加普遍、統(tǒng)一的理解。這方面的研究已經(jīng)取得了一些重要且普遍的結(jié)果。多體系統(tǒng)的糾纏熵在臨界點(diǎn)附近隨著粒子數(shù)的增加出現(xiàn)發(fā)散行為，而其標(biāo)度因子對(duì)應(yīng)多體規(guī)范場理論的中心核（centralcharge）；對(duì)于一維自旋鏈體系，糾纏熵的面積律（area law）已經(jīng)嚴(yán)格地建立起來。特別是對(duì)拓?fù)湎嘧凅w系的研究表明，拓?fù)浼m纏熵可以用來區(qū)分不同的拓?fù)湫?，其?biāo)度因子對(duì)應(yīng)拓?fù)湫虻牧孔訑?shù)，這將多體系統(tǒng)量子糾纏的研究拓展到了非傳統(tǒng)的量子相變領(lǐng)域。糾纏譜（entanglement spectrum）也已經(jīng)被定義，并廣泛用于對(duì)量子Hall體系相變性質(zhì)的研究。

取得這些重要成果的同時(shí)，糾纏與量子相變聯(lián)系的討論仍然有一些問題存在。最近對(duì)量子Hall體系中量子糾纏的研究表明，糾纏熵或糾纏譜并不能完全表征拓?fù)湫虻拇嬖凇６覍?duì)Valence-Bond-Solid（V BS）態(tài)糾纏熵的研究也指出：糾纏熵隨著體系粒子數(shù)目的增加，趨于一穩(wěn)定值。這說明不能用糾纏熵來表征VBS態(tài)中string order parameters（SOP），及其描述的拓?fù)浜啿⒌拇嬖?。造成這種現(xiàn)象的原因，源于計(jì)算糾纏熵或糾纏譜時(shí)約化密度矩陣的求解。由于忽略了體系其他自由度的影響，必然造成體系整體信息的部分丟失。這就促使我們考慮多體糾纏度量可以用來完整的反映體系的整體性質(zhì)，并取得一些重要的認(rèn)識(shí)。

崔海濤博士的研究工作先后得到河南省高校青年骨干教師資助計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的支持。2011年12月入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃。

展望未來，雖然任重道遠(yuǎn)，但崔海濤的量子夢(mèng)想?yún)s更加清晰。

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