《人民日報》 2016年10月11日 12 版 版面截圖

薛鵬在實驗室中工作。

本報記者 姚雪青攝

原題：研究量子行走的東南大學物理系教授薛鵬——

總有興趣追問“為什么”（治學者）

神秘的量子世界刷新著人類對宇宙的認知，但對于公眾來說，量子理論卻總是令人望而生畏。今年8月，我國成功發(fā)射全球首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，讓量子理論和量子衛(wèi)星一度成為熱詞，但也引發(fā)了一些質疑。實際上，近百年前，愛因斯坦與物理學家玻爾就量子理論曾有過論戰(zhàn)。但這些爭辯并未讓科學的發(fā)展停下腳步，不管是國內還是國外，總有一些科學家，孜孜不倦地探索量子的奧秘。

——編 者

著名物理學家玻爾有一句名言：“誰要是第一次聽到量子力學時沒有感到困惑，那他一定沒聽懂。”不知道近20年前，當東南大學物理系教授薛鵬第一次接觸量子力學時是怎樣的感受，但對于現(xiàn)在的她來說，用量子力學進行思考已經成為了一種習慣。

薛鵬的實驗室在東南大學九龍湖校區(qū)物理系大樓，在這間小小的房間里，薛鵬和她的團隊常常在一起工作到深夜，在量子光學和量子信息領域取得了不俗的成績。

量子與日常生活有關聯(lián)

在一些影視作品中，物理學教授往往不修邊幅。而看到薛鵬的第一眼，就顛覆了這種刻板印象：美麗、知性、溫柔。翻開簡歷，感覺她從小就是“別人家的孩子”：1999年以優(yōu)異成績提前一年于中國科學技術大學物理系畢業(yè)，免試進入中科院量子信息重點實驗室攻讀博士學位；后赴奧地利因斯布魯克大學及加拿大卡爾加里大學任博士后和講師；2009年回國任教，目前在東南大學物理系擔任教授。

采訪前，記者一直在網上搜索兩個問題：量子是什么？和日常生活有什么關聯(lián)？

“你聽說過薛定諤的貓嗎？”見面時，薛鵬問。“薛定諤的貓”，是由奧地利物理學家薛定諤于1935年提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗，被看成是把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界的推演。實驗是這樣的：在一個盒子里有一只貓以及少量放射性物質，有50%的概率放射性物質將會衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。

根據經典物理學，在盒子里必將發(fā)生這兩個結果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道里面的結果。但在量子世界里，當盒子處于關閉狀態(tài)，整個系統(tǒng)則一直保持不確定性的狀態(tài)，如果沒有揭開蓋子進行觀察，貓將永遠處于半死不活的疊加態(tài)。

“和經典世界具有確定性有所不同，量子世界具有概率性和疊加性�；�于量子力學的量子信息處理方式具有我們熟悉的經典方法無可比擬的優(yōu)勢。”薛鵬解釋說，量子計算依靠傳統(tǒng)計算機無法企及的超高速計算能力，為很多領域的發(fā)展提供了新的應用空間。比如可以建立更好的氣象模型，幫助確定采取哪些措施預防災難發(fā)生；可以繪制出數(shù)以萬億計的分子組合模式，在未來甚至為人類基因分析排序，大大節(jié)省新藥研發(fā)時間和研發(fā)成本；還可以迅速計算出最佳路線，優(yōu)化空中和地面交通，降低出行擁堵。

前不久我國發(fā)射的量子衛(wèi)星，因其具有杜絕間諜竊聽及破解的保密通信技術，受到極大關注。這一技術的關鍵一環(huán)是“量子密鑰分配”，它允許某人發(fā)送信息給其他人，而只有使用量子密鑰解密后才能閱讀信息。如果第三方攔截到密鑰，這種竊聽行為會馬上被發(fā)覺，而這組密鑰也會被棄之不用，信息安全得以保證。美國量子信息與計算機科學聯(lián)合中心共同主任雅各布·泰勒認為，太空任務總是極具挑戰(zhàn)性，中國希望通過光學技術和地基、空基設備來實現(xiàn)單一光量子級試驗，這本身就是一個值得稱贊的目標。

美國南加利福尼亞大學量子信息科學與技術中心主任丹尼爾·萊達表示，量子信息研究正在快速發(fā)展。目前可操作的小規(guī)模量子計算機就能夠解決一些簡單的問題，未來它們有望與傳統(tǒng)計算機相抗衡。另外，量子密碼學早在多年前就開始商業(yè)化，也是目前最為先進的實用量子信息處理形式。

量子行走可用于量子通信

薛鵬實驗室的平臺上整整齊齊擺放著的激光器、時間數(shù)字轉換器、單光子探測器等實驗儀器和各種線性光學元件，被一些光纖連接著。它們中的大部分需要在21攝氏度的干燥恒溫下存放，再加上密閉安靜的環(huán)境，室內的溫度顯得更低一些。

“我從2007年開始研究量子行走，起初從事的是理論研究，2013年轉向實驗研究，在第二年發(fā)現(xiàn)了量子行走中光信息的傳播擴散與恢復現(xiàn)象。”薛鵬介紹，量子行走在量子計算中有著廣泛的應用，但能否同時應用于量子通信，就主要取決于量子行走中是否存在信息的傳播擴散與恢復。

什么是量子行走呢？薛鵬說，假設一個人拿著一枚硬幣，每走一步前，先拋擲一次硬幣，如果花紋朝上就向左走一步，如果字面朝上就向右走一步。這可以理解為經典隨機行走。在量子行走中，“人”和“硬幣”分別由量子化的粒子來代替。例如，光子在空間模式中的行走由光子的偏振來決定。由于量子世界的特殊性，量子行走中擴散傳播的速度要比經典世界快得多。

而在量子行走中，信息的傳播擴散與恢復，如同向平靜的水面扔石子，可以看到水波一圈圈地擴散開去，緊接著又有一個“倒帶”畫面，擴散開去的波紋又再度“收”了回來，變成最初看到的樣子。

2013年，薛鵬團隊進行了一項名為光學中模擬拓撲相變的實驗。經過反復演算，發(fā)現(xiàn)原有方法從理論上就不能得出預期結論，自己最初的實驗設計也無法達到預期效果。

雖然一扇門被關上，但薛鵬憑借多年的理論積累又打開了一扇窗：“修改了實驗方案，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傳播擴散與恢復，如果取得成功，就確保了量子行走除了可以應用于量子計算還可以應用于量子通信。我們設計出通過8步量子行走實現(xiàn)量子態(tài)的演化并最終完全恢復到了最初始的狀態(tài)。”

實驗成功了！實驗結果論證了周期性量子行走，從而確保了量子行走可以應用于量子通信。論文寫好、投出，卻沒有等來好消息�！段锢碓u論快報》（Physical Review Letters）的編輯回復說，實驗需要更多的周期和擴展來進行論證。

“當時，很多人都勸我放棄，包括來自加拿大的合作者也認為要證明實驗的可擴展性從而說服審稿人及編輯難度太大了。但我就想再努力一把，8步行走是一個周期，審稿人和編輯認為一個周期不足以證明，我就再做到16步，展示兩個周期的演化過程，如果還是不能將之說服，我就繼續(xù)做下去。”薛鵬說。

團隊調整實驗方法，在關了燈的暗室，每天站七八個小時觀測非常微弱的近紅外單光子光束，一呆就是3個月，邊搭光路邊探測邊調整。最終在16步量子行走的演化過程中，連續(xù)兩次觀測到了量子信息的傳播擴散與恢復現(xiàn)象。

此后，薛鵬團隊的這一實驗連續(xù)突破一維空間量子行走演化上限，目前已經做到20步以上，達到世界先進水平。

在物理學科的分支中，量子信息學是新興學科，盡管不斷制造著研究熱點，但和凝聚態(tài)物理、高能物理、粒子物理等相比，仍屬于“小眾”。

量子研究期待二次革命

盡管有不少像薛鵬這樣的量子信息科學研究群體投身這一領域，但量子研究目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

雅各布·泰勒認為，最大的挑戰(zhàn)之一，就是如何開發(fā)出最有趣的應用和算法，使得我們能從中等規(guī)模的量子計算儀器中獲益。我們目前努力的關鍵就是研發(fā)出這樣的儀器，從而更好地理解量子系統(tǒng)對于人類的價值。

量子力學發(fā)展到今天，已有100多年的歷史。如果說前一個100年，它帶給我們激光、晶體管、電腦、核能等突破性技術和成果，解釋了量子力學能讓我們“做什么”的問題；那么，下一個100年中，不少物理學家提出要進行二次量子革命，追問“為什么”的問題。

愛因斯坦等人很早就已提出如下問題，量子世界與經典世界之間有著顯著區(qū)別，量子關聯(lián)是否受到距離的影響，量子變量的測量結果是否受到另一變量測量的影響？這兩種實在性是相互獨立還是存在一定的關系呢？

“這個問題屬于量子力學的本質問題。”薛鵬坦言，物理學家既要“仰望星空”，致力于最尖端最前沿的技術應用，也要“腳踏實地”，關注學科的本源和基礎。曾有過多年理論研究基礎的她，希望能有更多精力來進行基礎性、本源性的研究工作。

薛鵬介紹，自己目前所帶的碩士和博士生共有10人。在平時的教學和科研中，她時常對學生們進行鼓勵和引導：“學物理并不是一個很好的謀生手段，一定要有興趣才能忍耐寂寞，承受挫折和失敗，同時還要勤奮肯吃苦，只有這樣才能在這個領域有所建樹。”

《人民日報》 2016年10月11日 12 版      本報記者 姚雪青 廖政軍