薛鵬：從理論到實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)型

劉玉杰

21世紀(jì)是信息化時(shí)代，人類社會(huì)的飛速發(fā)展要求計(jì)算機(jī)處理信息的能力不斷提高，而傳統(tǒng)的信息技術(shù)已無(wú)法滿足人類的需求。于是，量子信息學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

量子信息學(xué)是量子物理與信息科學(xué)相融合的新興交叉學(xué)科，有著傳統(tǒng)的信息技術(shù)不可比擬的優(yōu)越性，已經(jīng)成為信息技術(shù)新的革命性發(fā)展方向，被國(guó)際上公認(rèn)是21世紀(jì)涉及物理學(xué)、材料學(xué)、信息學(xué)等多學(xué)科交叉的最活躍、最重要的研究領(lǐng)域之一。

東南大學(xué)的薛鵬教授多年來(lái)致力于量子信息和量子光學(xué)的研究，成果卓然。而2013年從理論到實(shí)驗(yàn)的學(xué)術(shù)轉(zhuǎn)型更是拓寬了其在量子領(lǐng)域的研究廣度，使其對(duì)量子物理愈加融會(huì)貫通。

“別人能做到的我也可以”

“學(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕?！备咧袝r(shí)的薛鵬對(duì)此深信不疑，并對(duì)物理產(chǎn)生了濃厚的興趣。1995年，薛鵬考入中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系，進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理知識(shí)。隨后，薛鵬獲取提前一年畢業(yè)并免試研究生資格，師從郭光燦院士，并取得博士學(xué)位。博士畢業(yè)之后，薛鵬申請(qǐng)?jiān)趪?guó)外的量子信息和量子光學(xué)研究中心進(jìn)一步學(xué)習(xí)，先后在奧地利的因斯布魯克大學(xué)和加拿大的卡爾加里大學(xué)從事博士后工作。

2009年7月，在國(guó)外學(xué)習(xí)5年的薛鵬選擇回國(guó)，并作為引進(jìn)人才加入東南大學(xué)。“回國(guó)是理所當(dāng)然的，我從未想過(guò)要在國(guó)外久居?！毖i說(shuō)：“該學(xué)的知識(shí)都學(xué)到了以后，回國(guó)多陪陪父母家人，是我當(dāng)時(shí)最主要的想法?！?/p>

東南大學(xué)以工科見(jiàn)長(zhǎng)，物理系科研力量相對(duì)薄弱。初回國(guó)的薛鵬研究的依然是量子物理的理論方向，但物理是實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，很多物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)。而“作為理論物理學(xué)家，與實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家合作時(shí)，發(fā)現(xiàn)很多理論的想法由于實(shí)驗(yàn)條件所限無(wú)法實(shí)現(xiàn)”。且在量子物理方面，“實(shí)驗(yàn)得出的成果往往更能得到認(rèn)可，也就可以帶來(lái)更多的經(jīng)費(fèi)支持”。為了更好地驗(yàn)證量子物理的理論，薛鵬決定在實(shí)驗(yàn)物理方向“試一試”。

少年時(shí)起，薛鵬就屬于“聰明孩子”那一類，年少懵懂的她認(rèn)為只有理論物理的難度才能體現(xiàn)出自己的天資。從1999年讀研開(kāi)始，薛鵬一直從事的是量子物理的理論研究。2013年，不管是薛鵬的學(xué)術(shù)年齡還是她自身的年紀(jì)都不算小了，薛鵬坦言，從理論轉(zhuǎn)到實(shí)驗(yàn)，她曾有過(guò)掙扎。但她從來(lái)不是一個(gè)輕易認(rèn)輸?shù)娜?。薛鵬堅(jiān)信一點(diǎn)：“別人可以做到的我也一定可以！”

從理論到實(shí)驗(yàn)的“華麗”轉(zhuǎn)身

2013年下半年，薛鵬開(kāi)始負(fù)責(zé)建設(shè)東南大學(xué)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，正式轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)物理方向，初步建成科研平臺(tái)。目前，薛鵬所在的實(shí)驗(yàn)室擁有飛秒激光器、半導(dǎo)體激光器、單光子探測(cè)器、八通路數(shù)字信號(hào)符合儀等實(shí)驗(yàn)儀器，對(duì)量子行走這一課題開(kāi)展了開(kāi)創(chuàng)性和系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究。

2015年，薛鵬課題組率先觀測(cè)到量子行走中光信息的傳播擴(kuò)散與恢復(fù)現(xiàn)象，并且在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Physical Review Letters上發(fā)表了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)論文。

量子行走在量子計(jì)算中有著廣泛的應(yīng)用，如利用量子行走開(kāi)發(fā)的針對(duì)無(wú)序數(shù)據(jù)庫(kù)的搜尋算法等。那么，量子行走是否能夠應(yīng)用于量子通信呢？這主要取決于量子行走中是否存在信息的傳播與恢復(fù)。

而薛鵬觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，攜帶信息的量子行走者可以在任意的偶數(shù)演化時(shí)間后恢復(fù)至初始狀態(tài)，在此之前依然遵從量子行走的擴(kuò)散規(guī)律。這一理論的提出及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證顛覆了人們以前對(duì)量子行走的認(rèn)識(shí)，并為量子行走在量子信息中的應(yīng)用提供了新的方向，為理解基于量子力學(xué)的動(dòng)力學(xué)演化的基本現(xiàn)象提供了新的視角，同時(shí)也為研究量子擴(kuò)散及對(duì)拓?fù)洮F(xiàn)象的量子模擬提供了新的思路。

憑借在實(shí)驗(yàn)方向有如此重大的發(fā)現(xiàn)，薛鵬在短短一年半的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了從理論到實(shí)驗(yàn)的“華麗”轉(zhuǎn)身。但這轉(zhuǎn)身背后，卻是“步步艱難”。

薛鵬回憶道：“一共有三個(gè)方面的問(wèn)題。首先是實(shí)驗(yàn)用房，其次是人員，最后是經(jīng)費(fèi)?！睂?shí)驗(yàn)用房是最難解決的問(wèn)題，薛鵬說(shuō)，空間的狹小、建設(shè)的滯后使得實(shí)驗(yàn)舉步維艱。除此之外，生源的有限和經(jīng)費(fèi)的欠缺也使薛鵬這“華麗的轉(zhuǎn)身”異常艱難。

“當(dāng)初經(jīng)費(fèi)非常緊缺，連基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)儀器和材料都無(wú)法購(gòu)齊。所幸后來(lái)系里支援了36萬(wàn)，作為購(gòu)買第一批儀器的錢，這筆錢直接堅(jiān)定了我做實(shí)驗(yàn)的決心?！毖i對(duì)物理系給予的支持抱有深深的感激，但經(jīng)費(fèi)的緊張也讓她有所感悟：“有錢就做有錢的事兒，沒(méi)錢也可以做沒(méi)錢的事兒，做實(shí)驗(yàn)不一定非要那么多經(jīng)費(fèi)。經(jīng)費(fèi)不足的時(shí)候，我們可以從巧思方面去突破。總有一個(gè)方向你可以找到，突破了之后就柳暗花明了?！?/p>

薛鵬補(bǔ)充道，對(duì)人生做出改變，什么時(shí)候都不算晚。她謙虛地表示，“現(xiàn)在看來(lái)，我的轉(zhuǎn)型不見(jiàn)得多成功，但至少?zèng)]有失敗。”

在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域佳音頻傳

1982年，諾貝爾物理獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼在一個(gè)公開(kāi)的演講中提出利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的新奇想法。緊接其后，1985年，英國(guó)物理學(xué)家大衛(wèi)·杜斯提出了量子圖靈機(jī)模型。理查德·費(fèi)曼當(dāng)時(shí)就想到如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子現(xiàn)象，則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少。就這樣，量子計(jì)算機(jī)的概念誕生了。

當(dāng)前量子信息科學(xué)與技術(shù)的核心發(fā)展目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程的量子通信和通用的量子計(jì)算機(jī)。經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，在量子通信方面，人們已經(jīng)能夠很好地利用量子態(tài)來(lái)建立經(jīng)典信息關(guān)聯(lián)，且這一技術(shù)已經(jīng)向著實(shí)用化的方向發(fā)展。而量子計(jì)算的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)真正意義上的量子計(jì)算機(jī)。要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，還有很長(zhǎng)的路要走。

薛鵬課題組現(xiàn)階段承擔(dān)的主要是國(guó)家自然科學(xué)基金的項(xiàng)目“全光量子信息處理器的實(shí)驗(yàn)研究”。這個(gè)項(xiàng)目擬將全光量子信息處理器應(yīng)用于量子通信和量子計(jì)算兩個(gè)方面。一方面，對(duì)于實(shí)用化的量子通信課題，該項(xiàng)目著重研究利用量子信息技術(shù)提高信道容量的理論和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。另一方面，針對(duì)量子計(jì)算，薛鵬將從軟件和硬件兩個(gè)方面進(jìn)行研究?！坝布矫嬷匮兄贫啾忍亓孔舆壿嬮T操作，實(shí)現(xiàn)量子測(cè)量及量子模擬等任務(wù)；軟件方面則利用量子信息處理器實(shí)現(xiàn)基于量子隨機(jī)行走的量子算法，去計(jì)算一些經(jīng)典計(jì)算機(jī)很難解決的問(wèn)題。”

目前，薛鵬課題組用線性光學(xué)體系首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了基于量子行走的正定算符測(cè)量。通過(guò)依賴光子空間模式的量子行走演化，薛鵬構(gòu)建了正定算符測(cè)量的測(cè)量算符，成功地對(duì)非正交態(tài)進(jìn)行了最優(yōu)化的無(wú)差錯(cuò)態(tài)識(shí)別。這一理論的提出及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證顛覆了人們以前對(duì)量子行走的應(yīng)用的單一認(rèn)識(shí)，為量子行走在量子計(jì)量學(xué)中的應(yīng)用提供了新的方向，為理解基于量子力學(xué)的基本原理提供了新的工具——廣義測(cè)量及鈍化測(cè)量，同時(shí)也為研究量子信道和量子保密通信提供了新的思路。

“全光量子信息處理器除了量子計(jì)算和量子通信，還包括利用量子關(guān)聯(lián)的性質(zhì)驗(yàn)證量子力學(xué)基礎(chǔ)理論，我們?cè)诖朔较蛞沧隽撕芏嗌钊氲难芯??！毖i說(shuō)，她所在的課題組首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到非定域性和互文性這兩種量子特性之間存在此消彼長(zhǎng)的monogamy關(guān)系，從而提供直接證據(jù)揭示量子糾纏是一種普適的資源?！斑@個(gè)實(shí)驗(yàn)刷新了人們對(duì)于量子糾纏的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，首次提出量子糾纏作為一種更普適的量子資源，非定域性和互文性的驗(yàn)證都將耗費(fèi)這種資源，證明了‘非定域性和互文性是同一實(shí)在性的兩種不同表示這一全新的觀點(diǎn)。”

對(duì)于薛鵬來(lái)說(shuō)，目前的研究工作已經(jīng)有了諸多進(jìn)展：在Physical Review Letters等國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文，且獲得了江蘇省杰出青年基金項(xiàng)目的支持。這讓她對(duì)接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)工作有了更多的信心?！跋乱徊匠肆孔雨P(guān)聯(lián)的驗(yàn)證方面，我希望做一些更有應(yīng)用前景的工作，比如開(kāi)發(fā)基于量子行走的真正普適的量子信息處理平臺(tái)，同時(shí)處理量子計(jì)算和通信任務(wù)?！毖i補(bǔ)充道：“目前的量子信息處理器只能處理量子計(jì)算任務(wù)或通信任務(wù)的一種，而對(duì)于追求‘大統(tǒng)一的物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)更普適的量子信息處理平臺(tái)才是最終目標(biāo)?！?/p>

對(duì)于薛鵬來(lái)說(shuō)，現(xiàn)階段的她不用顧慮家庭，生活的重心都在工作上，對(duì)待科研可謂“衣帶漸寬終不悔”。而從理論到實(shí)驗(yàn)的探索也使她更為明確自身的科研方向，相信她在這條轉(zhuǎn)型道路上會(huì)越走越好。