人民日报:东南大学教授薛鹏专注研究量子行走

本报记者 姚雪青 廖政军

2016年10月11日07:02  来源:人民网-人民日报
 
原标题:总有兴趣追问“为什么”(治学者)

《人民日报》 2016年10月11日 12 版 版面截图

薛鹏在实验室中工作。

本报记者 姚雪青摄

原题:研究量子行走的东南大学物理系教授薛鹏——

总有兴趣追问“为什么”(治学者)

神秘的量子世界刷新着人类对宇宙的认知,但对于公众来说,量子理论却总是令人望而生畏。今年8月,我国成功发射全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”,让量子理论和量子卫星一度成为热词,但也引发了一些质疑。实际上,近百年前,爱因斯坦与物理学家玻尔就量子理论曾有过论战。但这些争辩并未让科学的发展停下脚步,不管是国内还是国外,总有一些科学家,孜孜不倦地探索量子的奥秘。

——编 者

著名物理学家玻尔有一句名言:“谁要是第一次听到量子力学时没有感到困惑,那他一定没听懂。”不知道近20年前,当东南大学物理系教授薛鹏第一次接触量子力学时是怎样的感受,但对于现在的她来说,用量子力学进行思考已经成为了一种习惯。

薛鹏的实验室在东南大学九龙湖校区物理系大楼,在这间小小的房间里,薛鹏和她的团队常常在一起工作到深夜,在量子光学和量子信息领域取得了不俗的成绩。

量子与日常生活有关联

在一些影视作品中,物理学教授往往不修边幅。而看到薛鹏的第一眼,就颠覆了这种刻板印象:美丽、知性、温柔。翻开简历,感觉她从小就是“别人家的孩子”:1999年以优异成绩提前一年于中国科学技术大学物理系毕业,免试进入中科院量子信息重点实验室攻读博士学位;后赴奥地利因斯布鲁克大学及加拿大卡尔加里大学任博士后和讲师;2009年回国任教,目前在东南大学物理系担任教授。

采访前,记者一直在网上搜索两个问题:量子是什么?和日常生活有什么关联?

“你听说过薛定谔的猫吗?”见面时,薛鹏问。“薛定谔的猫”,是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的著名思想实验,被看成是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演。实验是这样的:在一个盒子里有一只猫以及少量放射性物质,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。但在量子世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的状态,如果没有揭开盖子进行观察,猫将永远处于半死不活的叠加态。

“和经典世界具有确定性有所不同,量子世界具有概率性和叠加性。基于量子力学的量子信息处理方式具有我们熟悉的经典方法无可比拟的优势。”薛鹏解释说,量子计算依靠传统计算机无法企及的超高速计算能力,为很多领域的发展提供了新的应用空间。比如可以建立更好的气象模型,帮助确定采取哪些措施预防灾难发生;可以绘制出数以万亿计的分子组合模式,在未来甚至为人类基因分析排序,大大节省新药研发时间和研发成本;还可以迅速计算出最佳路线,优化空中和地面交通,降低出行拥堵。

前不久我国发射的量子卫星,因其具有杜绝间谍窃听及破解的保密通信技术,受到极大关注。这一技术的关键一环是“量子密钥分配”,它允许某人发送信息给其他人,而只有使用量子密钥解密后才能阅读信息。如果第三方拦截到密钥,这种窃听行为会马上被发觉,而这组密钥也会被弃之不用,信息安全得以保证。美国量子信息与计算机科学联合中心共同主任雅各布·泰勒认为,太空任务总是极具挑战性,中国希望通过光学技术和地基、空基设备来实现单一光量子级试验,这本身就是一个值得称赞的目标。

美国南加利福尼亚大学量子信息科学与技术中心主任丹尼尔·莱达表示,量子信息研究正在快速发展。目前可操作的小规模量子计算机就能够解决一些简单的问题,未来它们有望与传统计算机相抗衡。另外,量子密码学早在多年前就开始商业化,也是目前最为先进的实用量子信息处理形式。

量子行走可用于量子通信

薛鹏实验室的平台上整整齐齐摆放着的激光器、时间数字转换器、单光子探测器等实验仪器和各种线性光学元件,被一些光纤连接着。它们中的大部分需要在21摄氏度的干燥恒温下存放,再加上密闭安静的环境,室内的温度显得更低一些。

“我从2007年开始研究量子行走,起初从事的是理论研究,2013年转向实验研究,在第二年发现了量子行走中光信息的传播扩散与恢复现象。”薛鹏介绍,量子行走在量子计算中有着广泛的应用,但能否同时应用于量子通信,就主要取决于量子行走中是否存在信息的传播扩散与恢复。

什么是量子行走呢?薛鹏说,假设一个人拿着一枚硬币,每走一步前,先抛掷一次硬币,如果花纹朝上就向左走一步,如果字面朝上就向右走一步。这可以理解为经典随机行走。在量子行走中,“人”和“硬币”分别由量子化的粒子来代替。例如,光子在空间模式中的行走由光子的偏振来决定。由于量子世界的特殊性,量子行走中扩散传播的速度要比经典世界快得多。

而在量子行走中,信息的传播扩散与恢复,如同向平静的水面扔石子,可以看到水波一圈圈地扩散开去,紧接着又有一个“倒带”画面,扩散开去的波纹又再度“收”了回来,变成最初看到的样子。

2013年,薛鹏团队进行了一项名为光学中模拟拓扑相变的实验。经过反复演算,发现原有方法从理论上就不能得出预期结论,自己最初的实验设计也无法达到预期效果。

虽然一扇门被关上,但薛鹏凭借多年的理论积累又打开了一扇窗:“修改了实验方案,索性研究周期性量子行走,也就是量子信息在量子行走中的传播扩散与恢复,如果取得成功,就确保了量子行走除了可以应用于量子计算还可以应用于量子通信。我们设计出通过8步量子行走实现量子态的演化并最终完全恢复到了最初始的状态。”

实验成功了!实验结果论证了周期性量子行走,从而确保了量子行走可以应用于量子通信。论文写好、投出,却没有等来好消息。《物理评论快报》(Physical Review Letters)的编辑回复说,实验需要更多的周期和扩展来进行论证。

“当时,很多人都劝我放弃,包括来自加拿大的合作者也认为要证明实验的可扩展性从而说服审稿人及编辑难度太大了。但我就想再努力一把,8步行走是一个周期,审稿人和编辑认为一个周期不足以证明,我就再做到16步,展示两个周期的演化过程,如果还是不能将之说服,我就继续做下去。”薛鹏说。

团队调整实验方法,在关了灯的暗室,每天站七八个小时观测非常微弱的近红外单光子光束,一呆就是3个月,边搭光路边探测边调整。最终在16步量子行走的演化过程中,连续两次观测到了量子信息的传播扩散与恢复现象。

此后,薛鹏团队的这一实验连续突破一维空间量子行走演化上限,目前已经做到20步以上,达到世界先进水平。

在物理学科的分支中,量子信息学是新兴学科,尽管不断制造着研究热点,但和凝聚态物理、高能物理、粒子物理等相比,仍属于“小众”。

量子研究期待二次革命

尽管有不少像薛鹏这样的量子信息科学研究群体投身这一领域,但量子研究目前仍面临诸多挑战。

雅各布·泰勒认为,最大的挑战之一,就是如何开发出最有趣的应用和算法,使得我们能从中等规模的量子计算仪器中获益。我们目前努力的关键就是研发出这样的仪器,从而更好地理解量子系统对于人类的价值。

量子力学发展到今天,已有100多年的历史。如果说前一个100年,它带给我们激光、晶体管、电脑、核能等突破性技术和成果,解释了量子力学能让我们“做什么”的问题;那么,下一个100年中,不少物理学家提出要进行二次量子革命,追问“为什么”的问题。

爱因斯坦等人很早就已提出如下问题,量子世界与经典世界之间有着显著区别,量子关联是否受到距离的影响,量子变量的测量结果是否受到另一变量测量的影响?这两种实在性是相互独立还是存在一定的关系呢?

“这个问题属于量子力学的本质问题。”薛鹏坦言,物理学家既要“仰望星空”,致力于最尖端最前沿的技术应用,也要“脚踏实地”,关注学科的本源和基础。曾有过多年理论研究基础的她,希望能有更多精力来进行基础性、本源性的研究工作。

薛鹏介绍,自己目前所带的硕士和博士生共有10人。在平时的教学和科研中,她时常对学生们进行鼓励和引导:“学物理并不是一个很好的谋生手段,一定要有兴趣才能忍耐寂寞,承受挫折和失败,同时还要勤奋肯吃苦,只有这样才能在这个领域有所建树。”

《人民日报》 2016年10月11日 12 版

(责编:张妍、张鑫)

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