薛鵬：從理論到實驗的轉型

本刊記者　劉玉杰

薛鵬：從理論到實驗的轉型

本刊記者劉玉杰

21世紀是信息化時代，人類社會的飛速發展要求計算機處理信息的能力不斷提高，而傳統的信息技術已無法滿足人類的需求。于是，量子信息學應運而生。

量子信息學是量子物理與信息科學相融合的新興交叉學科，有著傳統的信息技術不可比擬的優越性，已經成為信息技術新的革命性發展方向，被國際上公認是21世紀涉及物理學、材料學、信息學等多學科交叉的最活躍、最重要的研究領域之一。

東南大學的薛鵬教授多年來致力于量子信息和量子光學的研究，成果卓然。而2013年從理論到實驗的學術轉型更是拓寬了其在量子領域的研究廣度，使其對量子物理愈加融會貫通。

“別人能做到的我也可以”

“學好數理化，走遍天下都不怕。”高中時的薛鵬對此深信不疑，并對物理產生了濃厚的興趣。1995年，薛鵬考入中國科學技術大學物理系，進一步學習物理知識。隨后，薛鵬獲取提前一年畢業并免試研究生資格，師從郭光燦院士，并取得博士學位。博士畢業之后，薛鵬申請在國外的量子信息和量子光學研究中心進一步學習，先后在奧地利的因斯布魯克大學和加拿大的卡爾加里大學從事博士后工作。

2009年7月，在國外學習5年的薛鵬選擇回國，并作為引進人才加入東南大學。“回國是理所當然的，我從未想過要在國外久居。”薛鵬說：“該學的知識都學到了以后，回國多陪陪父母家人，是我當時最主要的想法。”

東南大學以工科見長，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，但物理是實驗的學科，很多物理現象的發現和驗證都離不開實驗。而“作為理論物理學家，與實驗物理學家合作時，發現很多理論的想法由于實驗條件所限無法實現”。且在量子物理方面，“實驗得出的成果往往更能得到認可，也就可以帶來更多的經費支持”。為了更好地驗證量子物理的理論，薛鵬決定在實驗物理方向“試一試”。

少年時起，薛鵬就屬于“聰明孩子”那一類，年少懵懂的她認為只有理論物理的難度才能體現出自己的天資。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，不管是薛鵬的學術年齡還是她自身的年紀都不算小了，薛鵬坦言，從理論轉到實驗，她曾有過掙扎。但她從來不是一個輕易認輸的人。薛鵬堅信一點：“別人可以做到的我也一定可以！”

從理論到實驗的“華麗”轉身

2013年下半年，薛鵬開始負責建設東南大學量子光學實驗平臺，正式轉向實驗物理方向，初步建成科研平臺。目前，薛鵬所在的實驗室擁有飛秒激光器、半導體激光器、單光子探測器、八通路數字信號符合儀等實驗儀器，對量子行走這一課題開展了開創性和系統性的實驗研究。

2015年，薛鵬課題組率先觀測到量子行走中光信息的傳播擴散與恢復現象，并且在國際知名學術期刊Physical Review Letters上發表了相關的實驗論文。

量子行走在量子計算中有著廣泛的應用，如利用量子行走開發的針對無序數據庫的搜尋算法等。那么，量子行走是否能夠應用于量子通信呢？這主要取決于量子行走中是否存在信息的傳播與恢復。

而薛鵬觀測發現，攜帶信息的量子行走者可以在任意的偶數演化時間后恢復至初始狀態，在此之前依然遵從量子行走的擴散規律。這一理論的提出及實驗的驗證顛覆了人們以前對量子行走的認識，并為量子行走在量子信息中的應用提供了新的方向，為理解基于量子力學的動力學演化的基本現象提供了新的視角，同時也為研究量子擴散及對拓撲現象的量子模擬提供了新的思路。

憑借在實驗方向有如此重大的發現，薛鵬在短短一年半的時間內實現了從理論到實驗的“華麗”轉身。但這轉身背后，卻是“步步艱難”。

薛鵬回憶道：“一共有三個方面的問題。首先是實驗用房，其次是人員，最后是經費。”實驗用房是最難解決的問題，薛鵬說，空間的狹小、建設的滯后使得實驗舉步維艱。除此之外，生源的有限和經費的欠缺也使薛鵬這“華麗的轉身”異常艱難。

“當初經費非常緊缺，連基礎的實驗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，這筆錢直接堅定了我做實驗的決心。”薛鵬對物理系給予的支持抱有深深的感激，但經費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，做實驗不一定非要那么多經費。經費不足的時候，我們可以從巧思方面去突破。總有一個方向你可以找到，突破了之后就柳暗花明了。”

薛鵬補充道，對人生做出改變，什么時候都不算晚。她謙虛地表示，“現在看來，我的轉型不見得多成功，但至少沒有失敗。”

在實驗領域佳音頻傳

1982年，諾貝爾物理獎得主理查德·費曼在一個公開的演講中提出利用量子體系實現通用計算的新奇想法。緊接其后，1985年，英國物理學家大衛·杜斯提出了量子圖靈機模型。理查德·費曼當時就想到如果用量子系統所構成的計算機來模擬量子現象，則運算時間可大幅度減少。就這樣，量子計算機的概念誕生了。

當前量子信息科學與技術的核心發展目標，是實現長程的量子通信和通用的量子計算機。經過多年的研究和發展，在量子通信方面，人們已經能夠很好地利用量子態來建立經典信息關聯，且這一技術已經向著實用化的方向發展。而量子計算的終極目標是實現真正意義上的量子計算機。要想實現這一目標，還有很長的路要走。

薛鵬課題組現階段承擔的主要是國家自然科學基金的項目“全光量子信息處理器的實驗研究”。這個項目擬將全光量子信息處理器應用于量子通信和量子計算兩個方面。一方面，對于實用化的量子通信課題，該項目著重研究利用量子信息技術提高信道容量的理論和實驗實現。另一方面，針對量子計算，薛鵬將從軟件和硬件兩個方面進行研究。“硬件方面著重研制多比特量子邏輯門操作，實現量子測量及量子模擬等任務；軟件方面則利用量子信息處理器實現基于量子隨機行走的量子算法，去計算一些經典計算機很難解決的問題。”

目前，薛鵬課題組用線性光學體系首次在實驗上實現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，薛鵬構建了正定算符測量的測量算符，成功地對非正交態進行了最優化的無差錯態識別。這一理論的提出及實驗的驗證顛覆了人們以前對量子行走的應用的單一認識，為量子行走在量子計量學中的應用提供了新的方向，為理解基于量子力學的基本原理提供了新的工具——廣義測量及鈍化測量，同時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算和量子通信，還包括利用量子關聯的性質驗證量子力學基礎理論，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驗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關系，從而提供直接證據揭示量子糾纏是一種普適的資源。“這個實驗刷新了人們對于量子糾纏的傳統認識，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證都將耗費這種資源，證明了‘非定域性和互文性是同一實在性的兩種不同表示’這一全新的觀點。”

對于薛鵬來說，目前的研究工作已經有了諸多進展：在Physical Review Letters等國際知名學術期刊上發表了多篇學術論文，且獲得了江蘇省杰出青年基金項目的支持。這讓她對接下來的實驗工作有了更多的信心。“下一步除了量子關聯的驗證方面，我希望做一些更有應用前景的工作，比如開發基于量子行走的真正普適的量子信息處理平臺，同時處理量子計算和通信任務。”薛鵬補充道：“目前的量子信息處理器只能處理量子計算任務或通信任務的一種，而對于追求‘大統一’的物理學家來說，實現更普適的量子信息處理平臺才是最終目標。”

對于薛鵬來說，現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”。而從理論到實驗的探索也使她更為明確自身的科研方向，相信她在這條轉型道路上會越走越好。