熱潮下的冷思考
——記北京大學(xué)前沿計(jì)算研究中心研究員袁驍

鄭 心 劉玉杰

袁驍

20世紀(jì)60年代，量子力學(xué)最偉大的實(shí)踐者之一理查德·菲利普·費(fèi)曼（Richard Phillips Feynman）曾寫(xiě)下這樣一句話：“我想我可以有把握地說(shuō)，沒(méi)人真正懂得量子力學(xué)。”這句話在今天看來(lái)仍有意義。迄今，人類(lèi)還只能描述量子現(xiàn)象，而無(wú)法理解其背后的真正運(yùn)行機(jī)制——因?yàn)榱孔邮澜绲纳衩刂幵谟冢鶎?duì)應(yīng)的物理是人類(lèi)無(wú)法通過(guò)宏觀感知識(shí)別的。為了揭示其中的奧妙規(guī)律，物理學(xué)家已經(jīng)提出了許多理論與多種詮釋。如今，這些專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)隨著量子科技的發(fā)展也已逐漸滲透到了大眾的視野之中，如“糾纏”“測(cè)量”“退相干”等，聽(tīng)起來(lái)神秘且晦澀，但也富有極強(qiáng)的魅力，吸引著無(wú)數(shù)如北京大學(xué)前沿計(jì)算研究中心研究員袁驍一般的青年科研人甘愿投身其中，奉獻(xiàn)青春。“我目前的研究領(lǐng)域主要是關(guān)于量子信息和量子計(jì)算的基礎(chǔ)理論。”針對(duì)這樣一門(mén)由量子物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的新興交叉學(xué)科，袁驍堅(jiān)定地認(rèn)為，量子信息和量子計(jì)算會(huì)是未來(lái)物理學(xué)和信息學(xué)發(fā)展的重大方向之一，“利用量子物理不同于經(jīng)典物理的特性，我們可以為計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)提供新的方向，如安全量子通信協(xié)議，超越經(jīng)典算法的量子計(jì)算等。”

少年何妨夢(mèng)摘星 敢挽桑弓射玉衡

早在高中時(shí)，袁驍在理科方面的天賦便已嶄露頭角。作為班級(jí)中的一名“競(jìng)賽選手”，數(shù)學(xué)對(duì)他而言，不僅是爭(zhēng)取榮譽(yù)的賽場(chǎng)，更寄托著他求達(dá)真理的青衿壯志。但是通過(guò)高強(qiáng)度的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，他卻漸漸覺(jué)得抽象的數(shù)學(xué)公式似乎成了桎梏，讓自己難以發(fā)現(xiàn)萬(wàn)物運(yùn)行的本質(zhì)規(guī)律。“當(dāng)然那時(shí)候的想法肯定不是很成熟”，立足當(dāng)下回首青澀光陰，袁驍如此評(píng)價(jià)彼時(shí)的自己，但同時(shí)他也慶幸著與物理學(xué)的相遇。

通過(guò)課本外加一些科普類(lèi)書(shū)籍，物理學(xué)中對(duì)于探索宇宙運(yùn)行機(jī)理的部分深深吸引著袁驍?shù)哪抗猓洹拔镉斜灸掠惺冀K”的演變規(guī)律與他對(duì)科研的無(wú)盡暢想不謀而合。于是，他在填報(bào)志愿時(shí)堅(jiān)定地報(bào)考了北京大學(xué)的理論物理學(xué)專(zhuān)業(yè)，決心在這一領(lǐng)域中一展宏圖，正所謂“少年何妨夢(mèng)摘星，敢挽桑弓射玉衡”。

整個(gè)本科階段，袁驍一直在天體物理與理論物理等領(lǐng)域中潛心篤行。“但其實(shí)那時(shí)候，我并沒(méi)有真正參與科研，沒(méi)有發(fā)表一篇文章。”也或許正是在這段時(shí)間里，袁驍錘煉出了笑對(duì)挫折、苦中作樂(lè)的堅(jiān)韌品質(zhì)，“我覺(jué)得剛開(kāi)始投入科研工作，有些坎坷太正常了”。“下得了苦功夫，坐得住冷板凳”，袁驍便是憑借著此種毅力，不僅同時(shí)獲得了理論物理與計(jì)算機(jī)的雙學(xué)位，更將國(guó)內(nèi)另一所頂級(jí)學(xué)府——清華大學(xué)——的博士錄取通知書(shū)也收入囊中。

2012年，袁驍順利成為清華大學(xué)第二批量子信息方向的博士生。“我聽(tīng)了很多公開(kāi)課，最終決定將量子信息作為我畢生的研究目標(biāo)。”所謂量子信息科學(xué)，就是量子物理學(xué)和信息科學(xué)的交叉學(xué)科。這種誕生于后摩爾時(shí)代下的計(jì)算、編碼和信息傳輸?shù)娜滦畔⒎绞剑瑢⒊浞职l(fā)揮量子相干、量子糾纏等特性的強(qiáng)大作用，為突破芯片極限提供新概念、新思路和新途徑，這不僅充分顯示了學(xué)科交叉的重要性，且量子信息的最終物理實(shí)現(xiàn)，更會(huì)催生物理學(xué)、信息科學(xué)等觀念和模式的重大變革。

吾生也有涯，而知也無(wú)涯，為追尋這個(gè)尚且遙遠(yuǎn)的科研理想，袁驍深以為自己的知識(shí)儲(chǔ)備與科研視野仍須不斷擴(kuò)展，因此他在其后的幾年之中相繼前往中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、英國(guó)牛津大學(xué)與美國(guó)斯坦福大學(xué)開(kāi)展博士后階段的研究工作，力求吸納百家之長(zhǎng)，滋養(yǎng)自身之理想。

逐夢(mèng)量子穩(wěn)步而行 學(xué)成歸來(lái)初為人師

如今，量子計(jì)算等技術(shù)在全球的學(xué)術(shù)界與工業(yè)界都是備受矚目的焦點(diǎn)，人才緊俏、研究火爆，發(fā)展勢(shì)頭十分迅猛，甚至已逐漸成為世界各國(guó)戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)之一。各國(guó)高校都紛紛開(kāi)始建立起相關(guān)的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，但袁驍卻對(duì)海外相對(duì)前沿的研究環(huán)境毫無(wú)留戀，在2020年成功走完了在斯坦福大學(xué)的“取經(jīng)”之旅后，毅然下定決心回歸祖國(guó)，縱然其間遭遇了疫情的阻礙，但他還是順利加入了令他寤寐思服的母校——北京大學(xué)的前沿計(jì)算研究中心，為我國(guó)的量子技術(shù)添磚加瓦。

“一方面，我在研究量子信息的基礎(chǔ)理論，這有助于更好地理解量子特性，從而設(shè)計(jì)出新的量子協(xié)議和算法。另一方面，我和團(tuán)隊(duì)主要以目前或近期可實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)為目標(biāo)，來(lái)設(shè)計(jì)新的量子計(jì)算算法。”相較于為21世紀(jì)信息科學(xué)發(fā)展提供新的原理和方法的量子信息技術(shù)，量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)目前仍相對(duì)受限。另外，雖然量子通信是當(dāng)之無(wú)愧的信息安全利器，但相比起來(lái)，量子計(jì)算一旦被攻破，則可能成為新一代科技進(jìn)步的引擎。但若要實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算，無(wú)疑需要學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的共同努力。

盡管目前對(duì)于多久可以實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算還有待討論，但針對(duì)特定問(wèn)題的小規(guī)模量子芯片或許有望在不久的將來(lái)得以達(dá)成，甚至可以希冀的是，小型量子芯片在未來(lái)會(huì)在化學(xué)、材料、人工智能等眾多特定領(lǐng)域綻放光芒。

依托于這樣的發(fā)展背景，袁驍也在自己的職業(yè)規(guī)劃路上穩(wěn)步前行：在量子相干性方面，他創(chuàng)新性地提出了量子相干性的度量、提純及與量子隨機(jī)性的關(guān)系，相關(guān)文章入選了基本科學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)（ESI）Top 1%高引論文。與此同時(shí)，袁驍還提出并解決了單份量子相干性的稀釋問(wèn)題，為單份量子相干性理論提供了基礎(chǔ)。在量子糾纏探測(cè)方面，他提出了糾纏驗(yàn)證的測(cè)量漏洞問(wèn)題，并與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作實(shí)現(xiàn)了克服相關(guān)問(wèn)題的糾纏驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

始于理論，臻于應(yīng)用。袁驍對(duì)于量子計(jì)算的應(yīng)用同樣有著自己的洞見(jiàn)：在量子隨機(jī)數(shù)方面，他著眼于基于量子相干性的應(yīng)用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于超導(dǎo)量子比特的量子伯努利工廠協(xié)議；在量子模擬方面，他則更多聚焦于基于量子錯(cuò)誤緩解算法，提出了量子計(jì)算機(jī)的虛實(shí)演化變分算法以及在量子化學(xué)中的應(yīng)用方法，并針對(duì)一般過(guò)程的量子模擬算法和有效的開(kāi)放系統(tǒng)進(jìn)行模擬。同時(shí)，袁驍還在《現(xiàn)代物理評(píng)論》（Reviews of Modern Physics）和《自然物理評(píng)論》（Nature Review Physics）發(fā)表綜述論文，且都入選了基本科學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)（ESI）Top 0.1%高被引論文。

迄今，袁驍與量子信息和計(jì)算科學(xué)結(jié)緣已十年有余。這期間，他共在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊，例如《自然》（Nature）及其子刊、《科學(xué)》（Science）、《物理評(píng)論X》（Physical Review X）、《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）和《現(xiàn)代物理評(píng)論》（Reviews of Modern Physics）等發(fā)表論文共76篇，其中包括3篇ESI熱點(diǎn)論文（0.1%）和6篇ESI高引論文（1%），其工作還多次被國(guó)內(nèi)外媒體報(bào)道。

對(duì)科研，袁驍胸有成竹、循夢(mèng)而行，但對(duì)加入高校后初為人師的新身份，他卻表示“還在學(xué)習(xí)中”。“從學(xué)生到老師，這一身份的轉(zhuǎn)變還需要一些時(shí)間來(lái)適應(yīng)，為人師表是一件不容易的事。”袁驍直言。不過(guò)，一年的上課體驗(yàn)已讓他收獲了授人以漁的成就感，但同時(shí)，他也反思道：“不同學(xué)生的學(xué)習(xí)和接受能力可能差異很大，因此需要因材施教，今后我也會(huì)朝此方向不斷努力。”

木鐸金聲，滋蘭樹(shù)蕙。量子技術(shù)的未來(lái)光明但道阻且長(zhǎng)，需要學(xué)術(shù)界薪火相傳方能發(fā)展壯大。袁驍作為其中集學(xué)、研一體的年輕科研人，更覺(jué)重任在肩，不敢懈怠。因此，他表示要始終保持一顆冷靜的頭腦，即便在量子技術(shù)掀起的如此熱潮中，也須心無(wú)外物地冷靜思考，因材施教地立德樹(shù)人。