薛鵬：從理論到實驗的轉(zhuǎn)型

本刊記者　劉玉杰

薛鵬：從理論到實驗的轉(zhuǎn)型

本刊記者劉玉杰

21世紀(jì)是信息化時代，人類社會的飛速發(fā)展要求計算機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年從理論到實驗的學(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，薛鵬申請在國外的量子信息和量子光學(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，但物理是實驗的學(xué)科，很多物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和驗證都離不開實驗。而“作為理論物理學(xué)家，與實驗物理學(xué)家合作時，發(fā)現(xiàn)很多理論的想法由于實驗條件所限無法實現(xiàn)”。且在量子物理方面，“實驗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(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)到實驗，她曾有過掙扎。但她從來不是一個輕易認(rèn)輸?shù)娜恕Ｑi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(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)實驗平臺，正式轉(zhuǎn)向?qū)嶒炍锢矸较颍醪浇ǔ煽蒲衅脚_。目前，薛鵬所在的實驗室擁有飛秒激光器、半導(dǎo)體激光器、單光子探測器、八通路數(shù)字信號符合儀等實驗儀器，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(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)的實驗論文。

量子行走在量子計算中有著廣泛的應(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散規(guī)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(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)的動力學(xué)演化的基本現(xiàn)象提供了新的視角，同時也為研究量子擴散及對拓?fù)洮F(xiàn)象的量子模擬提供了新的思路。

憑借在實驗方向有如此重大的發(fā)現(xiàn)，薛鵬在短短一年半的時間內(nèi)實現(xiàn)了從理論到實驗的“華麗”轉(zhuǎn)身。但這轉(zhuǎn)身背后，卻是“步步艱難”。

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

“當(dāng)初經(jīng)費非常緊缺，連基礎(chǔ)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(jīng)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(jīng)費。經(jīng)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(xiàn)在看來，我的轉(zhuǎn)型不見得多成功，但至少沒有失敗。”

在實驗領(lǐng)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(xiàn)通用計算的新奇想法。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模型。理查德·費曼當(dāng)時就想到如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的計算機來模擬量子現(xiàn)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(dāng)前量子信息科學(xué)與技術(shù)的核心發(fā)展目標(biāo)，是實現(xiàn)長程的量子通信和通用的量子計算機。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)向著實用化的方向發(fā)展。而量子計算的終極目標(biāo)是實現(xiàn)真正意義上的量子計算機。要想實現(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(yīng)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(shù)提高信道容量的理論和實驗實現(xiàn)。另一方面，針對量子計算，薛鵬將從軟件和硬件兩個方面進(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現(xiàn)基于量子隨機行走的量子算法，去計算一些經(jīng)典計算機很難解決的問題。”

目前，薛鵬課題組用線性光學(xué)體系首次在實驗上實現(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)化的無差錯態(tài)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(yīng)用的單一認(rèn)識，為量子行走在量子計量學(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(guān)聯(lián)的性質(zhì)驗證量子力學(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(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。“這個實驗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(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(guān)聯(lián)的驗證方面，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，同時處理量子計算和通信任務(wù)。”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(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(zhuǎn)型道路上會越走越好。