揚(yáng)帆滄海迎激浪，勇立潮頭啟新航
——記首都師范大學(xué)副教授冉仕舉

王艷敏

隨著集成電路逐漸達(dá)到經(jīng)典物理定律的應(yīng)用極限，量子技術(shù)被公認(rèn)有希望引領(lǐng)下一代科技革命。數(shù)以百億計(jì)的資源正朝著這一方向聚集，屬于量子技術(shù)的黃金時(shí)代即將來臨。科技引領(lǐng)未來，新時(shí)代的浪潮來臨之際，科技工作者無疑是眾多優(yōu)秀“弄潮兒”中較為引人注目的那一類，從他們的行動中，眾人得以窺見量子技術(shù)背后的決心和力量。首都師范大學(xué)副教授冉仕舉正是諸多“弄潮兒”中的一位。十多年來，圍繞量子多體物理、張量網(wǎng)絡(luò)理論與方法、量子信息與量子計(jì)算、經(jīng)典及量子機(jī)器學(xué)習(xí)等方向，解決行業(yè)中的痛點(diǎn)、難點(diǎn)，以基礎(chǔ)研究促進(jìn)實(shí)踐發(fā)展，推動時(shí)代的進(jìn)步，是他始終不變的信念。

櫛風(fēng)沐雨秉初心，砥礪前行路漫長

冉仕舉和物理學(xué)的結(jié)緣也許要從《時(shí)間簡史》談起，這部著作點(diǎn)亮了他對物理學(xué)的無限好奇與向往，使之奮力奔向科研的精彩旅途。2006年，冉仕舉考入北京師范大學(xué)物理學(xué)系，先后跟隨寇謖鵬教授和鄭志剛教授進(jìn)行了簡單的電磁學(xué)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的科學(xué)研究。“現(xiàn)在回過頭來看，雖然當(dāng)時(shí)我做的這些研究沒有結(jié)出什么值得一提的科研成果，但是進(jìn)一步提升了我對物理的興趣，對我后來從事科研工作產(chǎn)生了十分積極的影響。”到了進(jìn)行研究生專業(yè)選擇時(shí)，他幸運(yùn)地結(jié)識了中國科學(xué)院大學(xué)的蘇剛教授，由此踏入了張量網(wǎng)絡(luò)與量子物理的精彩世界。

碩博期間，冉仕舉主要嘗試使用張量網(wǎng)絡(luò)對量子多體問題進(jìn)行研究，接連圍繞“量子多體數(shù)值算法”與“強(qiáng)關(guān)聯(lián)模型與材料模擬”兩大方向產(chǎn)出了許多不錯(cuò)的科研成果。他說：“選擇研究張量網(wǎng)絡(luò)的原因，一方面是其本身就是一種類似于‘微積分’‘線性代數(shù)’一樣的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)工具，但目前對這一數(shù)學(xué)工具本身的研究還十分缺乏。另一方面，張量網(wǎng)絡(luò)有希望解決量子物理的高計(jì)算復(fù)雜度問題，但這方面還有太多太多尚待探索的地方。”

2015年加入西班牙光子科學(xué)研究所馬切伊·萊文斯坦（Maciej Lewenstein）教授研究組后，冉仕舉開始思考一種新的量子多體模擬方法。“著名物理學(xué)家飛利浦·安德森有句名言——‘多了就不一樣了（More is different）’，這句話道出了凝聚態(tài)物理的精髓。借助張量網(wǎng)絡(luò)，我們希望能實(shí)現(xiàn)‘少了也能不一樣（Less can be as different as more）’，讓少體系統(tǒng)也展現(xiàn)出大尺寸系統(tǒng)的物理特性。”基于這個(gè)想法，冉仕舉等人提出了量子糾纏模擬方法，在小尺寸的量子體系實(shí)現(xiàn)對無窮大體系的高效精確模擬，走在了這一領(lǐng)域的國際前沿。

2017年前后，機(jī)器學(xué)習(xí)的快速發(fā)展逐漸引起物理學(xué)界的關(guān)注，冉仕舉及其合作者也敏銳地察覺到“張量網(wǎng)絡(luò)能用于機(jī)器學(xué)習(xí)，甚至可能在特定領(lǐng)域超越神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”這一令人振奮的可能。此后，他們圍繞張量網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)交叉融合方向展開了一系列研究，先后提出了“深度幺正性樹狀張量網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)”“監(jiān)督、半監(jiān)督、非監(jiān)督張量網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)”“張量網(wǎng)絡(luò)壓縮感知”等頗有分量的成果。

值得一提的是，冉仕舉及其合作者在張量網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)方向的第一篇論文在2017年年底完成后，甚至因研究內(nèi)容過于新穎而遲遲找不到合適的審稿人，以至于這一成果被多家期刊拒稿，歷經(jīng)1年多時(shí)間，直到2019年才在《新物理學(xué)》（New Journal of Physics）上成功發(fā)表。好酒不怕巷深，這篇遲發(fā)的文章先后獲得了英國物理學(xué)會出版社（IOP）頒發(fā)的“高影響力獎”與“高引用獎”。文章從發(fā)表到獲獎的曲折歷程背后，不單單代表著冉仕舉及其合作者的成就與貢獻(xiàn)，更意味著張量網(wǎng)絡(luò)、量子技術(shù)等新領(lǐng)域正在崛起——更多的資源正在匯聚、更光明的前景正在顯現(xiàn)。

凝心聚力共奮進(jìn)，同心逐夢譜新篇

2022年，國家自然科學(xué)基金委員會發(fā)布《可解釋、可通用的下一代人工智能方法重大研究計(jì)劃2022年度項(xiàng)目指南》，旨在促進(jìn)我國人工智能基礎(chǔ)研究和人才培養(yǎng)，支撐我國在新一輪國際科技競爭中的主導(dǎo)地位。基于深度學(xué)習(xí)的人工智能方法雖然在許多場景取得了重要突破，但仍然存在模型可解釋性差、數(shù)據(jù)與算力需求大、理論基礎(chǔ)薄弱等問題。相比之下，張量網(wǎng)絡(luò)有望克服傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的不足，成為量子物理與人工智能學(xué)科的熱門交叉課題。而在這一方向，冉仕舉已經(jīng)下好了先手棋。

基于此前的研究積累，早在2020年，冉仕舉申請的國家自然科學(xué)青年基金“基于張量網(wǎng)絡(luò)與糾纏理論的高效可解釋量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法”就已經(jīng)獲批立項(xiàng)。依托首都師范大學(xué)（以下簡稱“首師大”），他以“發(fā)展具備更高解釋性的、能更有效解決量子物理問題的人工智能新方法，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)自旋系統(tǒng)量子相的高效識別”為目標(biāo)，結(jié)合量子糾纏理論，開始了對張量網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)模型與算法的深入研究。如今，相關(guān)研究正有條不紊地推進(jìn)，也陸續(xù)取得了一些令人振奮的成果。

將目光轉(zhuǎn)回2018年，自加入首都師范大學(xué)以來，冉仕舉便在授課的同時(shí)著手組建自己的科研團(tuán)隊(duì)。截至目前，這支團(tuán)隊(duì)已有7名碩士研究生、1名博士研究生。“提到這里，我要特別感謝首都師范大學(xué)物理系與交叉研究院給予我的幫助與支持”。對于一個(gè)全新的研究領(lǐng)域而言，短期內(nèi)發(fā)表高分高被引論文、申請到好的項(xiàng)目都相當(dāng)困難，而首師大則為新領(lǐng)域的研究提供了一個(gè)寬松、自由的學(xué)術(shù)氛圍，特別對于青年研究者而言，這是極為寶貴的。冉仕舉回憶：“記得回國找工作期間曾與紀(jì)安春教授討論學(xué)術(shù)，他對張量網(wǎng)絡(luò)量子模擬、量子機(jī)器學(xué)習(xí)這些新方向展現(xiàn)出的興趣與熱忱讓我感受到了大環(huán)境的良好學(xué)術(shù)氛圍。首師大也并沒有單純依據(jù)論文數(shù)量與期刊影響因子對求職者生硬地進(jìn)行打分，是一個(gè)可以安心求學(xué)問做實(shí)事的地方。”

在指導(dǎo)學(xué)生的過程中，冉仕舉發(fā)現(xiàn)：“直接閱讀前沿論文會使得學(xué)到的知識碎片化，讀綜述又很難學(xué)到細(xì)節(jié)。”但在當(dāng)時(shí)，并沒有特別適合初學(xué)者閱讀和學(xué)習(xí)的張量網(wǎng)絡(luò)方面的專著。基于此，冉仕舉及其合作者先后出版了英文專著《張量網(wǎng)絡(luò)收縮》（Tensor Network Contraction）與中文專著《張量網(wǎng)絡(luò)》，前者主要面向具有物理背景的專業(yè)讀者，后者主要面向初入門的學(xué)生與對張量網(wǎng)絡(luò)感興趣的非物理背景讀者。他說：“希望通過這兩本書，能為‘張量網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成為一門成熟的交叉學(xué)科’盡綿薄之力，吸引更多的學(xué)生從事張量網(wǎng)絡(luò)的研究工作。”

在工作和校內(nèi)日常生活中，冉仕舉深刻體會到：首師大的學(xué)生最大的特點(diǎn)就是做人、做事、做科研都很扎實(shí)。“平時(shí)和我們物理系的同學(xué)交流時(shí)，我會發(fā)現(xiàn)不少同學(xué)確實(shí)是在興趣驅(qū)動下選擇的物理專業(yè)，同時(shí)很多人也對基礎(chǔ)研究很感興趣，這就促使我們在科研方面進(jìn)行更深一層的交流，從而做出很好的成績。課題組中關(guān)于量子計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)方法結(jié)合的一項(xiàng)工作，就是與本科生合作完成的。”提起學(xué)生，冉仕舉言語中難掩欣慰和自豪，并感嘆道，“這就是當(dāng)老師的意義吧！第一要激發(fā)學(xué)生的興趣，傳授給學(xué)生知識，第二就是要推動他們自己去探索未知的世界。”

冉仕舉十分注重為學(xué)生營造自由的學(xué)習(xí)氛圍和科研氛圍，每當(dāng)學(xué)生提出奇思妙想或得出新的成果，他總會認(rèn)真傾聽、不吝贊美，與學(xué)生平等對話，相互探討。對此，他是這樣解釋的：“我一直認(rèn)為自己是個(gè)非常幸運(yùn)的人，無論是碩博時(shí)期蘇剛老師對我的指導(dǎo)與鼓勵(lì)，還是在西班牙從事博士后研究期間萊文斯坦教授對我的啟發(fā)，抑或是如今首師大對我的支持，都為我提供了一個(gè)自由的科研環(huán)境，讓我能夠心無旁騖地向著夢想的方向前進(jìn)并且樂此不疲。”他希望，自己的學(xué)生也能在這樣的環(huán)境中成長，充分發(fā)揮自身的主觀能動性，發(fā)現(xiàn)科學(xué)之美，享受科研之樂。