崔海濤的量子夢

本刊記者 汲曉奇

崔海濤的量子夢

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，還是兩個相距遙遠卻存在“心靈感應”的粒子，量子世界的種種現象（假設）總是容易顛覆一些人們既定的認識。

量子物理是20世紀最偉大的科學成就之一，有著許多與我們的生活經驗截然不同的神奇性質。量子物理與信息科學結合誕生了量子信息。對于這門由物理學、計算機學和信息科學的交叉，而衍生出來的學科的研究看似很復雜深奧，卻是當代物理學家們熱衷且樂此不疲的領域，來自安陽師范學院物理與電氣工程學院的特聘教授崔海濤，正是在這一領域內取得卓越研究成果的學者。迄今為止，崔海濤博士在量子信息領域共發表學術論文22篇，均為SCI

收錄，論文總引用次數174次（Web of Science），他引近100次（Web of Science）；2007年發表在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，崔海濤進入東北師范大學物理系物理學專業學習。作為四大力學之一的量子力學，因其“充滿悖論”而引起了崔海濤的好奇心，并引導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，在上世紀90年代，中國量子信息研究還遠遠落后于國際先進水平。崔海濤剛開始從事量子信息研究時，當時遭遇的最大困難是資料嚴重缺乏，那時電子資料不多，他只好勤跑學校圖書館查找、復印自己想要的文獻。

如今，經過全球近20年來的研究發展，量子信息已被認為可能是下一代通信和計算機的支撐性技術，并在目前進入了早期產業化階段。如何搶占這一具有重大戰略意義和經濟價值的新興產業制高點，成為當前國際科技競爭中的一大熱點。

在這樣的國際大背景下，我國也于2006年9月發布了國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年），將以量子調控技術為代表的量子信息技術的研究納入到基礎研究重大科學研究計劃當中。

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

在國家自然科學基金項目“幾何相與量子糾纏的理論研究”和“多體系統中的量子糾纏及其幾何分類的理論研究”的支持下，崔海濤帶領研究團隊在量子糾纏方向展開深入的探索，并取得了一些深刻的認識。

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的相干特征，重構密碼、計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常基本的作用。一方面，許多重要的量子信息技術都需要量子糾纏的參與才能實現，例如量子遠程傳態，量子保密通訊、量子密鑰分發等；另一方面，由于量子體系與其他自由度的相互作用，這種作用最終導致體系的自由度與其他自由度的量子糾纏，由于環境選擇的結果，量子體系的相干性質會在逐漸消失，此即所謂退相干過程。

而時至今日物理學家們對量子糾纏這一奇特的物理性質的理解卻是非常的有限，這已經嚴重制約了量子信息技術的發展。因此建立對量子糾纏普遍的物理理解，是當今量子信息領域最為急迫需要解決的問題之一。

勇攀高峰學術領域聲名遠播

攀登科研的高峰，注定是一條寂寞的長路。

物理學，一個方程一大串，如果在求解的過程中方法不對頭，很容易產生放棄的情緒。

然而，憑借著對科研事業的拳拳摯愛與探索量子世界的濃厚興趣，崔海濤的學術之路倒也緊湊而充實。

計算機技術使我們進入了嶄新的“信息時代”，給人類的工作和生活帶來了翻天覆地的變化，計算機的芯片布線密度已達到了0.18μm，而且計算機芯片的集成度遵循摩爾定律以大約每18個月1倍的速度指數增長。可以預見，在不久的將來，芯片元件就會達到它能以經典方式工作的極限尺度。因此，如何突破這種尺度極限是當代信息科學所面臨的一個重大科學問題。

同時，研究多自由度量子體系中量子糾纏的物理性質，對于建立對量子糾纏物理性質的普遍理解是非常重要的，也是當前量子糾纏理論研究的重點與難點。

這是因為我們通過對兩體糾纏的研究而建立起來的對量子糾纏的理解無法直接推廣三體或多體的情況。對于四體糾纏，情況則更為復雜，迄今為止仍無法建立一致的分類。

對于多體糾纏，物理學家們普遍相信總可以對其在SLOCC變換下合理分成可數的幾個糾纏類，其他任意的糾纏態可以從對某一糾纏類進行SLOCC操作得到。然而，如何去尋找這些糾纏類，并沒有一個統一的觀點：SLOCC只是提供了一個最基本的游戲規則，但遠遠不夠。我們需要一些其他的規則或技巧，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關鍵問題就是凝聚態系統的量子糾纏與多體效應間的關系。”崔海濤表示。

基于上面的認識，多體系統量子糾纏與量子相變的關聯最先引起了人們的興趣。

一般認為，相變源于組成系統的粒子間相互作用的共同結果，這種相互作用是粒子間廣泛關聯建立的決定因素。既然量子糾纏被認為是一種特殊的關聯，量子糾纏不可避免地廣泛存在于多體系統中，并對體系的性質產生不可忽視的影響。通過對相變體系中量子糾纏性質的研究，人們期望可以建立對相變現象更加普遍、統一的理解。這方面的研究已經取得了一些重要且普遍的結果。多體系統的糾纏熵在臨界點附近隨著粒子數的增加出現發散行為，而其標度因子對應多體規范場理論的中心核（centralcharge）；對于一維自旋鏈體系，糾纏熵的面積律（area law）已經嚴格地建立起來。特別是對拓撲相變體系的研究表明，拓撲糾纏熵可以用來區分不同的拓撲序，其標度因子對應拓撲序的量子數，這將多體系統量子糾纏的研究拓展到了非傳統的量子相變領域。糾纏譜（entanglement spectrum）也已經被定義，并廣泛用于對量子Hall體系相變性質的研究。

取得這些重要成果的同時，糾纏與量子相變聯系的討論仍然有一些問題存在。最近對量子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撲序的存在。而且對Valence-Bond-Solid（V BS）態糾纏熵的研究也指出：糾纏熵隨著體系粒子數目的增加，趨于一穩定值。這說明不能用糾纏熵來表征VBS態中string order parameters（SOP），及其描述的拓撲簡并的存在。造成這種現象的原因，源于計算糾纏熵或糾纏譜時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，并取得一些重要的認識。

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劃和國家自然科學基金的支持。2011年12月入選教育部新世紀優秀人才支持計劃。

展望未來，雖然任重道遠，但崔海濤的量子夢想卻更加清晰。

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