奇思妙想徜徉量子仙境
——記上海大學理學院物理系教授劉俊杰

王 芳 謝更好

19世紀末20世紀初，當一部分經典物理學家自信地認為物理學大廈已基本落成，留給未來研究者的工作僅剩把測量精度不斷往小數點后面推進時，量子力學橫空出世。對熟知經典力學的人來說，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，引出了為無數后人癡迷的問題：現實的本質是什么？什么樣的現實描述方法才算有意義？

直到今天，人們仍在為此苦苦追索，因此造就許許多多猜想設計，創造的科學精神得以持續流淌。上海大學理學院物理系的青年教授劉俊杰正是一名量子領域的癡迷者。他專注于噪聲環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，探究噪聲環境對量子操控器件的影響機制并提出調控方案，在量子能量調控器件等方向上取得了一系列原創成果。研究興趣涉及：量子熱力學（量子熱機、量子漲落），量子態存儲和傳輸器件理論，導電納米結（電荷輸運過程的描述、電學功能器件）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域間的類比來提出新的物理問題和發展新的理論計算工具，相關研究具備顯著的交叉學科特色，同時注重理論與實驗的結合。

經由經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，取得原始性創新成果，劉俊杰連續在美國麻省理工學院、加拿大阿爾伯塔大學、加拿大多倫多大學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，他渴望帶領更多人加入這場奇妙探險，領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

相比對物理學始終不變的好感，對是否要從事物理學研究，劉俊杰卻持審慎態度。很長一段時間里，他像一位羞怯的暗戀者，小心求證著內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，我就發現自己能比同學更快地理解課程內容，以至于后來每次物理考試都名列班級第一。”持續的成就感，讓劉俊杰對物理倍感親切。從中學參加物理競賽獲得省級一等獎到后來考上復旦大學物理系，一切自然而然?？杉幢氵x擇了物理專業，他仍然沒有下定決心從事這一行?！昂髞砦抑鲃痈淌趥冇绕涫俏业摹畬嬍覍煛杖饘氃菏拷涣鳎胍獜牟煌矫媪私膺@個學科。大三又提前進入后來的博士生導師的課題組，一方面接受規范的科學訓練，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’的領域，對它的研究內容和方式產生了興趣，以此為主題展開畢業設計?！?011年，基于優異的學業成績和在畢業設計中展現的科研潛力，劉俊杰獲得復旦大學直博資格、優秀本科生畢業榮譽及博士生新生最高獎——相輝獎。據了解，這并非普通的獎學金，而是出于對科學精神的弘揚、鼓勵研究生從事科研之需要而設立的獎項，其中一條硬性標準便是“在某學科、領域取得突出成績”。

博士前期，劉俊杰將研究重心放在經典體系中的熱輸運問題上，在導師推薦下前往新加坡國立大學交流，師從聲子學和熱超結構材料研究的開拓者李保文教授?！敖涍^大三和大四的學習，我跟博士生導師都對經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，還收獲了領域內的前沿資訊，為之后的博士學習打下了堅實基礎。”

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習?！皫熜诸H得李教授真傳，我在師兄的帶領下接受了從創新想法的提出到最后形成科研文章的完整訓練。同時，他還耐心地教我編程、制圖、整理文獻等基本技能。良好的培訓對我日后的科研學習產生了深遠影響，尤其是我至今的編程風格和思路還依然遵循師兄當年的建議。”

完成了經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，他內心對推動了現代社會發展并呈現旺盛生命力的量子體系產生了濃厚興趣?！扒捌诘难芯扛嬉欢温?，交流結束回國后我正好面臨著開啟新課題的節點。既然在經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，經由經典世界，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課題組同事在一起

海外行：類比的交叉研究激發思維碰撞

52個月，4年有余。帶著拜師學藝的誠心，負笈單步，劉俊杰依次走入美國麻省理工學院、加拿大阿爾伯塔大學、加拿大多倫多大學，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、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據。”在這種實際應用中，量子體系與外界環境進行相互作用，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、量子內存等。他的初衷是通過這種研究方式促進相關量子器件的應用研究。

在麻省理工學院，劉俊杰的合作導師雖身在化學系卻出身物理系，研究思路常常是偏物理學的。在阿爾伯塔大學，他的合作導師則出身理論化學領域，選取的問題或研究思路往往從化學角度出發。經過在兩所學校的研究學習，劉俊杰意識到交叉研究對創新成果的重要性。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者。她的風格完美契合了劉俊杰的所求。

在多倫多大學量子信息與量子調控中心，劉俊杰起先研究量子光學里的光物質耦合體系的相互作用。一天，他忽發奇想：“可不可以在一個納米分子節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體系中，他得到靈感，開始研究納米分子節。這是一種與硅基半導體技術相比，尺寸更小、制備更容易的技術。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現了負微分電阻現象?！边@是一種隨著電壓增大，電流卻反常減小的現象。通過進一步探究，劉俊杰的結論剛好解釋了2005年一個知名實驗的測量結果，文章發表后很快引起了學界關注。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?！?/p>

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

“人們對量子世界的許多研究都基于假設。在量子熱機領域也是如此，假設量子熱機是完美的，不管運行多少次都不會出現損耗。而我卻認為這不符合實際應用?！币肱靼琢孔訜釞C是否存在損耗現象，第一個問題是怎么把最初的設想變成具體的科學問題。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確定，把一個科研設想變成一個數學推導，之后再轉化為一個物理問題。

“有了理論基礎，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?！眲⒖〗芎秃献髡呦胍芯苛孔訜釞C的工作介質與熱庫環境強耦合的情形，但實際上現有的大部分開放量子體系的理論處理方法都在關注弱耦合情形，在強耦合方面還沒有很好的理論方法?！八?，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值計算方法。沒有值得借鑒的經驗，只能不斷提出想法再去驗證，中間反反復復走入死胡同重新來過，直到終于發現了合適的量子熱機模型和數值計算方法，進而形成了量子熱機的熱力學研究成果，發表于國際物理學知名期刊?！?/p>

雖然收獲了美好結局，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和愁苦迷茫的心情?！拔易x到博士后期的時候才進入量子領域。剛剛經歷了轉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??；一面進展不順，反復推倒重來；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，不管散心、談天，還是主動跟導師、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，闖過了一道道關卡，勝利的果實被授予無懼無畏的勇者。

學成回國：深化量子熱機研究促進量子內存制備

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成回國，所以回國對我不是一個選擇，而是必然?！?/p>

在麻省理工學院，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味劑。所以當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。

通過一位學姐，劉俊杰將簡歷轉交給上海大學，獲得了后者的熱情回復和邀請。2022年夏天，經上海市高層次人才計劃，劉俊杰加入上海大學理學院物理系，擔任教授?；谇捌谘芯炕A，剛回國，他便申請獲批了國家自然科學基金青年科學基金項目、上海市科學技術委員會浦江人才計劃項目。

劉俊杰的國家自然科學基金青年科學基金項目聚焦于“強耦合量子熱機”的效能研究，預期通過研究環境影響下的量子效應，尋找提高能量轉換過程效率的手段，促進能源的可持續發展。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，量子熱機的工作介質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可以與周圍熱庫形成強耦合。介質熱庫強耦合既可以破壞工作介質本身的量子相干性，又可以引入新的量子效應（如介質-熱庫的量子關聯），因此，可以預期系統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，介質熱庫耦合能量不可忽略，這意味著經典熱力學第一定律不再適用，即我們無法僅從工作介質的內能變化來區分熱和功的貢獻，因此，研究強耦合量子熱機的效能需要跳出已有的經典熱力學框架。這一直是量子熱機領域進一步發展所面臨的重大挑戰。”

為了應對這一挑戰，劉俊杰的量子熱機建模將納入介質熱庫耦合對應的哈密頓量，它與工作介質、熱庫的哈密頓量一起構成了一個封閉體系，然后從這一封閉體系能量守恒的角度出發推導量子熱力學第一定律，將自然包含介質熱庫強耦合能量對應的貢獻。在此基礎上，劉俊杰的項目將構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果進行比較分析，揭示出介質熱庫強耦合對強耦合量子熱機效能的影響規律，發掘出強耦合量子熱機在能量轉換過程中的優勢。預計，此課題將為強耦合量子熱機的發展提供理論方案，為更高效的量子熱機設計提供具體設計思路。

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

針對“如何高效地降低耗散環境對量子內存的影響？”這一問題，劉俊杰認為，既然耗散環境無法完全避免，那是否可以利用耗散環境來制備量子內存？基于這一思路，他在課題中聚焦體系-環境弱耦合的情形，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境作用調控方法。預計課題的研究將促進量子內存的設計與制備，為解決環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研究中的應用，推動多領域間的交叉研究。

劉俊杰相信，相關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——量子熱機和量子態相關的操控器件研究，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?！澳壳皥F隊已經有1名博士生、2名碩士生，秋季開學后還會有新生前來報到。”3年內擴充至6人左右，形成導師、博士后、博士、碩士的梯隊，是劉俊杰對團隊發展的期許。

此外，為了盡可能發揮力量、培養人才，在本科教育方面，劉俊杰承擔了兩名本科生的畢業論文設計輔導工作，并作為一部分本科生的學業導師，指導學生開展基礎的科研和學習任務，提升他們對科研的熱情。

作為導師，劉俊杰坦言，并不希望成為一名高高在上的“老板”。“我對學生的期待就兩條：一是自主的學習能力，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?！?/p>

“在我求學的過程中，有幸跟隨多位值得尊敬的前輩學習做人做事的規矩。我至今都感激復旦大學的吳長勤教授，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，鼓勵我追隨內心，為我的后期發展提供各種建議。在新加坡國立大學期間，李保文教授和那位優秀的師兄，同樣是領我入門的良師，尤其師兄耐心教授了我各項基礎研究技能，令我受益終身?！眲⒖〗軓倪@些經歷中，總結出自己想要傳遞給學生的科研精神——導師必須是親力親為的，必須跟學生保持良好的溝通，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，科學研究卻不免艱難?？蒲兄?，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，他結交了許多來自不同領域的朋友，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。