薛鵬：從理論到實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)型

本刊記者　劉玉杰

薛鵬：從理論到實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)型

本刊記者劉玉杰

21世紀(jì)是信息化時(shí)代，人類社會的飛速發(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，使其對量子物理愈加融會貫通。

“別人能做到的我也可以”

“學(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕。”高中時(shí)的薛鵬對此深信不疑，并對物理產(chǎn)生了濃厚的興趣。1995年，薛鵬考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系，進(jìn)一步學(xué)習(xí)物理知識。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?jiān)趪獾牧孔有畔⒑土孔庸鈱W(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，在國外學(xué)習(xí)5年的薛鵬選擇回國，并作為引進(jìn)人才加入東南大學(xué)。“回國是理所當(dāng)然的，我從未想過要在國外久居。”薛鵬說：“該學(xué)的知識都學(xué)到了以后，回國多陪陪父母家人，是我當(dāng)時(shí)最主要的想法。”

東南大學(xué)以工科見長，物理系科研力量相對薄弱。初回國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)，她曾有過掙扎。但她從來不是一個(gè)輕易認(rèn)輸?shù)娜恕Ｑi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，薛鵬開始負(fù)責(zé)建設(shè)東南大學(xué)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺，正式轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)物理方向，初步建成科研平臺。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、單光子探測器、八通路數(shù)字信號符合儀等實(shí)驗(yàn)儀器，對量子行走這一課題開展了開創(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，如利用量子行走開發(fā)的針對無序數(shù)據(jù)庫的搜尋算法等。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量子行走的認(rèn)識，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)方面的問題。首先是實(shí)驗(yàn)用房，其次是人員，最后是經(jīng)費(fèi)。”實(shí)驗(yàn)用房是最難解決的問題，薛鵬說，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)儀器和材料都無法購齊。所幸后來系里支援了36萬，作為購買第一批儀器的錢，這筆錢直接堅(jiān)定了我做實(shí)驗(yàn)的決心。”薛鵬對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，沒錢也可以做沒錢的事兒，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。”

薛鵬補(bǔ)充道，對人生做出改變，什么時(shí)候都不算晚。她謙虛地表示，“現(xiàn)在看來，我的轉(zhuǎn)型不見得多成功，但至少沒有失敗。”

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)長程的量子通信和通用的量子計(jì)算機(jī)。經(jīng)過多年的研究和發(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)，還有很長的路要走。

薛鵬課題組現(xiàn)階段承擔(dān)的主要是國家自然科學(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，針對量子計(jì)算，薛鵬將從軟件和硬件兩個(gè)方面進(jìn)行研究。“硬件方面著重研制多比特量子邏輯門操作，實(shí)現(xiàn)量子測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量。通過依賴光子空間模式的量子行走演化，薛鵬構(gòu)建了正定算符測量的測量算符，成功地對非正交態(tài)進(jìn)行了最優(yōu)化的無差錯(cuò)態(tài)識別。這一理論的提出及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證顛覆了人們以前對量子行走的應(yīng)用的單一認(rèn)識，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——廣義測量及鈍化測量，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，我們在此方向也做了很多深入的研究。”薛鵬說，她所在的課題組首次在實(shí)驗(yàn)中觀測到非定域性和互文性這兩種量子特性之間存在此消彼長的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。“這個(gè)實(shí)驗(yàn)刷新了人們對于量子糾纏的傳統(tǒng)認(rèn)識，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)。”

對于薛鵬來說，目前的研究工作已經(jīng)有了諸多進(jìn)展：在Physical Review Letters等國際知名學(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。這讓她對接下來的實(shí)驗(yàn)工作有了更多的信心。“下一步除了量子關(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，比如開發(fā)基于量子行走的真正普適的量子信息處理平臺，同時(shí)處理量子計(jì)算和通信任務(wù)。”薛鵬補(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，而對于追求‘大統(tǒng)一’的物理學(xué)家來說，實(shí)現(xiàn)更普適的量子信息處理平臺才是最終目標(biāo)。”

對于薛鵬來說，現(xiàn)階段的她不用顧慮家庭，生活的重心都在工作上，對待科研可謂“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)型道路上會越走越好。