奇思妙想徜徉量子仙境
——記上海大學(xué)理學(xué)院物理系教授劉俊杰

王 芳 謝更好

19世紀末20世紀初，當(dāng)一部分經(jīng)典物理學(xué)家自信地認為物理學(xué)大廈已基本落成，留給未來研究者的工作僅剩把測量精度不斷往小數(shù)點后面推進時，量子力學(xué)橫空出世。對熟知經(jīng)典力學(xué)的人來說，初次掀開量子世界一角朝里窺視不亞于見到一個奇異、縹緲的“世外仙境”。來自兩個世界的激烈交鋒，引出了為無數(shù)后人癡迷的問題：現(xiàn)實的本質(zhì)是什么？什么樣的現(xiàn)實描述方法才算有意義？

直到今天，人們?nèi)栽跒榇丝嗫嘧匪鳎虼嗽炀驮S許多多猜想設(shè)計，創(chuàng)造的科學(xué)精神得以持續(xù)流淌。上海大學(xué)理學(xué)院物理系的青年教授劉俊杰正是一名量子領(lǐng)域的癡迷者。他專注于噪聲環(huán)境下的量子操控器件這一研究主題，基于開放量子體系框架建立器件物理模型，探究噪聲環(huán)境對量子操控器件的影響機制并提出調(diào)控方案，在量子能量調(diào)控器件等方向上取得了一系列原創(chuàng)成果。研究興趣涉及：量子熱力學(xué)（量子熱機、量子漲落），量子態(tài)存儲和傳輸器件理論，導(dǎo)電納米結(jié)（電荷輸運過程的描述、電學(xué)功能器件）及量子電池。

在劉俊杰的眼中，量子世界雖然離散不定、難以捉摸，卻仍可在某種程度上視為經(jīng)典世界一個施了魔法的微縮版本。因此，他十分善于通過兩個世界不同領(lǐng)域間的類比來提出新的物理問題和發(fā)展新的理論計算工具，相關(guān)研究具備顯著的交叉學(xué)科特色，同時注重理論與實驗的結(jié)合。

經(jīng)由經(jīng)典世界走入量子世界的十余年科研生涯中，為汲取國際一流課題組的不同研究方法，取得原始性創(chuàng)新成果，劉俊杰連續(xù)在美國麻省理工學(xué)院、加拿大阿爾伯塔大學(xué)、加拿大多倫多大學(xué)從事博士后研究工作超過52個月。于紛繁物理迷宮中搜集暗藏的通關(guān)密鑰，他精心打磨科研的羅盤，一次次走入死胡同又一次次找到新路線。而今加入上海大學(xué)，他渴望帶領(lǐng)更多人加入這場奇妙探險，領(lǐng)略異彩紛呈的量子世界。

科研路：求證想象與物理研究的一致性

相比對物理學(xué)始終不變的好感，對是否要從事物理學(xué)研究，劉俊杰卻持審慎態(tài)度。很長一段時間里，他像一位羞怯的暗戀者，小心求證著內(nèi)心想象與物理世界的一致性。

劉俊杰在加拿大班夫國家森林公園留影

“從初中第一次上物理課，我就發(fā)現(xiàn)自己能比同學(xué)更快地理解課程內(nèi)容，以至于后來每次物理考試都名列班級第一。”持續(xù)的成就感，讓劉俊杰對物理倍感親切。從中學(xué)參加物理競賽獲得省級一等獎到后來考上復(fù)旦大學(xué)物理系，一切自然而然。可即便選擇了物理專業(yè)，他仍然沒有下定決心從事這一行。“后來我主動跟教授們尤其是我的‘寢室導(dǎo)師’陶瑞寶院士交流，想要從不同方面了解這個學(xué)科。大三又提前進入后來的博士生導(dǎo)師的課題組，一方面接受規(guī)范的科學(xué)訓(xùn)練，另一方面尋找感興趣的研究點。這樣，才將志向落定。”從擅長到喜歡到最終確認自己與物理世界真的適配，劉俊杰用了10年。

“進入課題組后，我在搜索文獻時看到一個名為‘熱輸運’的領(lǐng)域，對它的研究內(nèi)容和方式產(chǎn)生了興趣，以此為主題展開畢業(yè)設(shè)計。”2011年，基于優(yōu)異的學(xué)業(yè)成績和在畢業(yè)設(shè)計中展現(xiàn)的科研潛力，劉俊杰獲得復(fù)旦大學(xué)直博資格、優(yōu)秀本科生畢業(yè)榮譽及博士生新生最高獎——相輝獎。據(jù)了解，這并非普通的獎學(xué)金，而是出于對科學(xué)精神的弘揚、鼓勵研究生從事科研之需要而設(shè)立的獎項，其中一條硬性標(biāo)準便是“在某學(xué)科、領(lǐng)域取得突出成績”。

博士前期，劉俊杰將研究重心放在經(jīng)典體系中的熱輸運問題上，在導(dǎo)師推薦下前往新加坡國立大學(xué)交流，師從聲子學(xué)和熱超結(jié)構(gòu)材料研究的開拓者李保文教授。“經(jīng)過大三和大四的學(xué)習(xí)，我跟博士生導(dǎo)師都對經(jīng)典非線性晶格中孤子是否會在熱輸運中扮演角色持不確定態(tài)度。帶著這樣的疑問，我在新加坡用心鉆研，不光解答了疑惑，還收獲了領(lǐng)域內(nèi)的前沿資訊，為之后的博士學(xué)習(xí)打下了堅實基礎(chǔ)。”

在新加坡的一年時光中，劉俊杰主要跟隨李保文教授十分倚重的一名博士生學(xué)習(xí)。“師兄頗得李教授真?zhèn)鳎以趲熜值膸ьI(lǐng)下接受了從創(chuàng)新想法的提出到最后形成科研文章的完整訓(xùn)練。同時，他還耐心地教我編程、制圖、整理文獻等基本技能。良好的培訓(xùn)對我日后的科研學(xué)習(xí)產(chǎn)生了深遠影響，尤其是我至今的編程風(fēng)格和思路還依然遵循師兄當(dāng)年的建議。”

完成了經(jīng)典體系熱輸運問題的研究后，帶著滿滿收獲，劉俊杰踏上返程。此時，因為接觸到國際前沿的資訊，他內(nèi)心對推動了現(xiàn)代社會發(fā)展并呈現(xiàn)旺盛生命力的量子體系產(chǎn)生了濃厚興趣。“前期的研究告一段落，交流結(jié)束回國后我正好面臨著開啟新課題的節(jié)點。既然在經(jīng)典體系中存在不符合傅立葉定律的熱輸運行為，那么在量子體系中熱輸運的行為是怎樣的呢？”博士后半段，劉俊杰顯露出他進行不同領(lǐng)域類比研究的才能，在量子體系中對輸運問題進行了探究，卓有成效。由此，經(jīng)由經(jīng)典世界，他走入量子世界，開啟了真正的探險。

劉俊杰（左一）與加拿大多倫多大學(xué)課題組同事在一起

海外行：類比的交叉研究激發(fā)思維碰撞

52個月，4年有余。帶著拜師學(xué)藝的誠心，負笈單步，劉俊杰依次走入美國麻省理工學(xué)院、加拿大阿爾伯塔大學(xué)、加拿大多倫多大學(xué)，所在課題組無一不是國際首屈一指的開放量子體系研究團隊。在選擇這些不同背景的課題組進行博士后研究時，他充分考慮到了解不同特色研究的必要性，希望借此加深在開放式量子體系，以及輸運問題方面的理論技術(shù)、研究方式積淀。

“談到一個量子體系，其實小至單個量子點，大至量子計算機，均不可能獨立存在。比如量子點一般要在襯底上制備，量子計算機也必須和別的儀器相連才能測量和讀取數(shù)據(jù)。”在這種實際應(yīng)用中，量子體系與外界環(huán)境進行相互作用，從而成為開放量子體系。劉俊杰的研究就是借助開放量子體系概念，研究具體的量子器件模型，比如量子熱機、納米管分子節(jié)、量子內(nèi)存等。他的初衷是通過這種研究方式促進相關(guān)量子器件的應(yīng)用研究。

在麻省理工學(xué)院，劉俊杰的合作導(dǎo)師雖身在化學(xué)系卻出身物理系，研究思路常常是偏物理學(xué)的。在阿爾伯塔大學(xué)，他的合作導(dǎo)師則出身理論化學(xué)領(lǐng)域，選取的問題或研究思路往往從化學(xué)角度出發(fā)。經(jīng)過在兩所學(xué)校的研究學(xué)習(xí)，劉俊杰意識到交叉研究對創(chuàng)新成果的重要性。為讓思考問題的方式更多元，他又申請了多倫多大學(xué)黛維拉·西格爾（Dvira Segal）教授課題組的博士后職位。黛維拉·西格爾教授正是一位不局限方法，只局限問題，善于利用他山之石的個性學(xué)者。她的風(fēng)格完美契合了劉俊杰的所求。

在多倫多大學(xué)量子信息與量子調(diào)控中心，劉俊杰起先研究量子光學(xué)里的光物質(zhì)耦合體系的相互作用。一天，他忽發(fā)奇想：“可不可以在一個納米分子節(jié)里也進行類似的高階相互作用的研究？”于是，從一個完全不同的量子光學(xué)體系中，他得到靈感，開始研究納米分子節(jié)。這是一種與硅基半導(dǎo)體技術(shù)相比，尺寸更小、制備更容易的技術(shù)。若解決其集成問題，則可打破摩爾定律，并解決我國在芯片上的“卡脖子”問題。

新冠疫情期間劉俊杰（左一）與多倫多大學(xué)課題組同事見面

“在建立模型研究高階電子和聲子的相互作用，以及對電子輸運過程的影響的計算中，我又湊巧在簡單模型里發(fā)現(xiàn)了負微分電阻現(xiàn)象。”這是一種隨著電壓增大，電流卻反常減小的現(xiàn)象。通過進一步探究，劉俊杰的結(jié)論剛好解釋了2005年一個知名實驗的測量結(jié)果，文章發(fā)表后很快引起了學(xué)界關(guān)注。因為接連的“巧合”，他直言自己運氣好，并真誠地感慨道：“對我而言，這項成果的有趣之處還在于它是以交叉科研的思路解決了問題，為我之后的研究增添了很多信心。”

劉俊杰的另一項代表性成果也在這期間形成，是關(guān)于量子熱機的。如果說前面那項成果的關(guān)鍵詞是“幸運”，那這項成果的關(guān)鍵詞大概是“痛苦”。

“人們對量子世界的許多研究都基于假設(shè)。在量子熱機領(lǐng)域也是如此，假設(shè)量子熱機是完美的，不管運行多少次都不會出現(xiàn)損耗。而我卻認為這不符合實際應(yīng)用。”要想弄明白量子熱機是否存在損耗現(xiàn)象，第一個問題是怎么把最初的設(shè)想變成具體的科學(xué)問題。為此，劉俊杰跟合作者絞盡腦汁地討論了兩三個月，才從理論上進行了推導(dǎo)確定，把一個科研設(shè)想變成一個數(shù)學(xué)推導(dǎo)，之后再轉(zhuǎn)化為一個物理問題。

“有了理論基礎(chǔ)，我們便尋找具體的模型進行驗證。這個過程是最痛苦的，又用時近4個月，不斷嘗試，不斷尋找。”劉俊杰和合作者想要研究量子熱機的工作介質(zhì)與熱庫環(huán)境強耦合的情形，但實際上現(xiàn)有的大部分開放量子體系的理論處理方法都在關(guān)注弱耦合情形，在強耦合方面還沒有很好的理論方法。“所以，我們一方面要尋找合適的量子熱機模型，一方面還要找合適的數(shù)值計算方法。沒有值得借鑒的經(jīng)驗，只能不斷提出想法再去驗證，中間反反復(fù)復(fù)走入死胡同重新來過，直到終于發(fā)現(xiàn)了合適的量子熱機模型和數(shù)值計算方法，進而形成了量子熱機的熱力學(xué)研究成果，發(fā)表于國際物理學(xué)知名期刊。”

雖然收獲了美好結(jié)局，但回憶起3段博士后時光，劉俊杰印象最深的還是煩瑣坎坷的理論推導(dǎo)和愁苦迷茫的心情。“我讀到博士后期的時候才進入量子領(lǐng)域。剛剛經(jīng)歷了轉(zhuǎn)換方向的痛苦就出國開展博士后研究，意味著必須加倍努力。”一面拼命工作，不敢懈怠；一面進展不順，反復(fù)推倒重來；一面堅持著不放棄；一面為自己未來能否在高校找到教職繼續(xù)科研生涯而憂心忡忡。

“那么，最終是如何克服的呢？一是從初中開始與物理的緣分讓我的科研信念十分堅定。二是每每遇到難關(guān)，不管散心、談天，還是主動跟導(dǎo)師、前輩溝通，我都會積極地想辦法。”就這樣堅持著，完成了一段馬拉松式的長跑，闖過了一道道關(guān)卡，勝利的果實被授予無懼無畏的勇者。

學(xué)成回國：深化量子熱機研究促進量子內(nèi)存制備

剛在海外取得了代表性的成績，劉俊杰就迫不及待地著手回國事宜。“出國時心里想的就是學(xué)成回國，所以回國對我不是一個選擇，而是必然。”

在麻省理工學(xué)院，劉俊杰待了10個月。其間由于課題組的曹教授參與了麻省理工學(xué)院與新加坡政府合辦的研究中心的共建，大部分時間，劉俊杰和同組人員都在新加坡度過。熱帶國度豐富的美食文化，藏在犄角旮旯的特色小店，成為他辛苦工作的調(diào)味劑。所以當(dāng)2022年決定回國時，他首先想到了熟悉的上海，不光因為朋友、家人都在這里，也因為上海獨特的城市韻味。藏在深巷的各種驚喜就像物理迷宮的密鑰，極具吸引力。

通過一位學(xué)姐，劉俊杰將簡歷轉(zhuǎn)交給上海大學(xué)，獲得了后者的熱情回復(fù)和邀請。2022年夏天，經(jīng)上海市高層次人才計劃，劉俊杰加入上海大學(xué)理學(xué)院物理系，擔(dān)任教授。基于前期研究基礎(chǔ)，剛回國，他便申請獲批了國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目、上海市科學(xué)技術(shù)委員會浦江人才計劃項目。

劉俊杰的國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目聚焦于“強耦合量子熱機”的效能研究，預(yù)期通過研究環(huán)境影響下的量子效應(yīng)，尋找提高能量轉(zhuǎn)換過程效率的手段，促進能源的可持續(xù)發(fā)展。通過他的介紹，可以進一步了解量子熱機這項研究——“為了引入量子效應(yīng)，量子熱機的工作介質(zhì)通常由包含較少自由度的微觀體系組成，這個特點使得工作介質(zhì)可以與周圍熱庫形成強耦合。介質(zhì)熱庫強耦合既可以破壞工作介質(zhì)本身的量子相干性，又可以引入新的量子效應(yīng)（如介質(zhì)-熱庫的量子關(guān)聯(lián)），因此，可以預(yù)期系統(tǒng)熱庫強耦合將會極大地影響量子熱機的效能。在強耦合條件下，介質(zhì)熱庫耦合能量不可忽略，這意味著經(jīng)典熱力學(xué)第一定律不再適用，即我們無法僅從工作介質(zhì)的內(nèi)能變化來區(qū)分熱和功的貢獻，因此，研究強耦合量子熱機的效能需要跳出已有的經(jīng)典熱力學(xué)框架。這一直是量子熱機領(lǐng)域進一步發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)。”

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，劉俊杰的量子熱機建模將納入介質(zhì)熱庫耦合對應(yīng)的哈密頓量，它與工作介質(zhì)、熱庫的哈密頓量一起構(gòu)成了一個封閉體系，然后從這一封閉體系能量守恒的角度出發(fā)推導(dǎo)量子熱力學(xué)第一定律，將自然包含介質(zhì)熱庫強耦合能量對應(yīng)的貢獻。在此基礎(chǔ)上，劉俊杰的項目將構(gòu)建描述強耦合量子熱機效能的普適理論，通過與弱耦合量子熱機已有結(jié)果進行比較分析，揭示出介質(zhì)熱庫強耦合對強耦合量子熱機效能的影響規(guī)律，發(fā)掘出強耦合量子熱機在能量轉(zhuǎn)換過程中的優(yōu)勢。預(yù)計，此課題將為強耦合量子熱機的發(fā)展提供理論方案，為更高效的量子熱機設(shè)計提供具體設(shè)計思路。

劉俊杰獲批的上海市科學(xué)技術(shù)委員會浦江人才計劃項目是“利用耗散環(huán)境制備量子內(nèi)存的理論研究”。所謂量子內(nèi)存，是用于存儲量子態(tài)的量子器件，在量子信息處理等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。對于理想的量子內(nèi)存器件，其量子態(tài)存儲時長不受任何限制，同時存儲量子態(tài)的保真度一直是1，即量子態(tài)在存儲前后沒有發(fā)生任何變化。然而真實量子體系總是不可避免地與其周圍耗散環(huán)境發(fā)生相互作用。對于量子內(nèi)存而言，環(huán)境引入的耗散效應(yīng)如量子退相干總是不利于量子糾纏態(tài)的存儲，因此環(huán)境的存在會限制已有量子內(nèi)存的存儲時長和量子態(tài)保真度的進一步提高。

針對“如何高效地降低耗散環(huán)境對量子內(nèi)存的影響？”這一問題，劉俊杰認為，既然耗散環(huán)境無法完全避免，那是否可以利用耗散環(huán)境來制備量子內(nèi)存？基于這一思路，他在課題中聚焦體系-環(huán)境弱耦合的情形，借助已有微擾論方法來探索這一思路的合理性并提出新的環(huán)境作用調(diào)控方法。預(yù)計課題的研究將促進量子內(nèi)存的設(shè)計與制備，為解決環(huán)境耗散問題提供一個新思路，同時將推動開放量子體系在量子因特網(wǎng)研究中的應(yīng)用，推動多領(lǐng)域間的交叉研究。

劉俊杰相信，相關(guān)研究將為量子科技真正走入尋常生活，便利大眾，起到推動作用。

不做“老板”：理想的師生關(guān)系是亦師亦友

為盡快推進團隊目前主要的兩個研究方向——量子熱機和量子態(tài)相關(guān)的操控器件研究，進而形成研究特色，打響知名度，科研之外劉俊杰有條不紊地推進著招生招聘工作。“目前團隊已經(jīng)有1名博士生、2名碩士生，秋季開學(xué)后還會有新生前來報到。”3年內(nèi)擴充至6人左右，形成導(dǎo)師、博士后、博士、碩士的梯隊，是劉俊杰對團隊發(fā)展的期許。

此外，為了盡可能發(fā)揮力量、培養(yǎng)人才，在本科教育方面，劉俊杰承擔(dān)了兩名本科生的畢業(yè)論文設(shè)計輔導(dǎo)工作，并作為一部分本科生的學(xué)業(yè)導(dǎo)師，指導(dǎo)學(xué)生開展基礎(chǔ)的科研和學(xué)習(xí)任務(wù)，提升他們對科研的熱情。

作為導(dǎo)師，劉俊杰坦言，并不希望成為一名高高在上的“老板”。“我對學(xué)生的期待就兩條：一是自主的學(xué)習(xí)能力，二是出色的溝通能力。有事需要溝通，隨時在社交平臺上找我，在稱呼上也可以直接叫我的名字。亦師亦友，這是我認為最理想的師生狀態(tài)。”

“在我求學(xué)的過程中，有幸跟隨多位值得尊敬的前輩學(xué)習(xí)做人做事的規(guī)矩。我至今都感激復(fù)旦大學(xué)的吳長勤教授，熱輸運并不是吳教授課題組的大方向，但他還是全力支持我，鼓勵我追隨內(nèi)心，為我的后期發(fā)展提供各種建議。在新加坡國立大學(xué)期間，李保文教授和那位優(yōu)秀的師兄，同樣是領(lǐng)我入門的良師，尤其師兄耐心教授了我各項基礎(chǔ)研究技能，令我受益終身。”劉俊杰從這些經(jīng)歷中，總結(jié)出自己想要傳遞給學(xué)生的科研精神——導(dǎo)師必須是親力親為的，必須跟學(xué)生保持良好的溝通，必須時時刻刻處于科研第一線。只有以身作則，才能帶動學(xué)生，才能保持課題組的活力與前沿性。

量子世界雖然有趣，科學(xué)研究卻不免艱難。科研之外，劉俊杰喜愛打籃球、閱讀玄幻小說，與家人朋友一起展開美食之旅。通過這些愛好活動，他結(jié)交了許多來自不同領(lǐng)域的朋友，也幫助他放空大腦，進行更有益的思考。未來，無論在現(xiàn)實的世界，還是在那個迥異、縹緲的世界，他都期待有更多奇遇上演。