《人民日?qǐng)?bào)》 2016年10月11日 12 版 版面截圖

薛鵬在實(shí)驗(yàn)室中工作。

本報(bào)記者 姚雪青攝

原題：研究量子行走的東南大學(xué)物理系教授薛鵬——

總有興趣追問“為什么”（治學(xué)者）

神秘的量子世界刷新著人類對(duì)宇宙的認(rèn)知，但對(duì)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(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，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(zhì)疑。實(shí)際上，近百年前，愛因斯坦與物理學(xué)家玻爾就量子理論曾有過論戰(zhàn)。但這些爭(zhēng)辯并未讓科學(xué)的發(fā)展停下腳步，不管是國內(nèi)還是國外，總有一些科學(xué)家，孜孜不倦地探索量子的奧秘。

——編 者

著名物理學(xué)家玻爾有一句名言：“誰要是第一次聽到量子力學(xué)時(shí)沒有感到困惑，那他一定沒聽懂。”不知道近20年前，當(dāng)東南大學(xué)物理系教授薛鵬第一次接觸量子力學(xué)時(shí)是怎樣的感受，但對(duì)于現(xiàn)在的她來說，用量子力學(xué)進(jìn)行思考已經(jīng)成為了一種習(xí)慣。

薛鵬的實(shí)驗(yàn)室在東南大學(xué)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(tuán)隊(duì)常常在一起工作到深夜，在量子光學(xué)和量子信息領(lǐng)域取得了不俗的成績。

量子與日常生活有關(guān)聯(lián)

在一些影視作品中，物理學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)物理系畢業(yè)，免試進(jìn)入中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室攻讀博士學(xué)位；后赴奧地利因斯布魯克大學(xué)及加拿大卡爾加里大學(xué)任博士后和講師；2009年回國任教，目前在東南大學(xué)物理系擔(dān)任教授。

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

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

根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，在盒子里必將發(fā)生這兩個(gè)結(jié)果之一，而外部觀測(cè)者只有打開盒子才能知道里面的結(jié)果。但在量子世界里，當(dāng)盒子處于關(guān)閉狀態(tài)，整個(gè)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(jìn)行觀察，貓將永遠(yuǎn)處于半死不活的疊加態(tài)。

“和經(jīng)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。基于量子力學(xué)的量子信息處理方式具有我們熟悉的經(jīng)典方法無可比擬的優(yōu)勢(shì)。”薛鵬解釋說，量子計(jì)算依靠傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法企及的超高速計(jì)算能力，為很多領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的應(yīng)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(yù)防災(zāi)難發(fā)生；可以繪制出數(shù)以萬億計(jì)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(shí)間和研發(fā)成本；還可以迅速計(jì)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(shù)，受到極大關(guān)注。這一技術(shù)的關(guān)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(huì)馬上被發(fā)覺，而這組密鑰也會(huì)被棄之不用，信息安全得以保證。美國量子信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)聯(lián)合中心共同主任雅各布·泰勒認(rèn)為，太空任務(wù)總是極具挑戰(zhàn)性，中國希望通過光學(xué)技術(shù)和地基、空基設(shè)備來實(shí)現(xiàn)單一光量子級(jí)試驗(yàn)，這本身就是一個(gè)值得稱贊的目標(biāo)。

美國南加利福尼亞大學(xué)量子信息科學(xué)與技術(shù)中心主任丹尼爾·萊達(dá)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(jì)算機(jī)就能夠解決一些簡單的問題，未來它們有望與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相抗衡。另外，量子密碼學(xué)早在多年前就開始商業(yè)化，也是目前最為先進(jìn)的實(shí)用量子信息處理形式。

量子行走可用于量子通信

薛鵬實(shí)驗(yàn)室的平臺(tái)上整整齊齊擺放著的激光器、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、單光子探測(cè)器等實(shí)驗(yàn)儀器和各種線性光學(xué)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(nèi)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(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)研究，在第二年發(fā)現(xiàn)了量子行走中光信息的傳播擴(kuò)散與恢復(fù)現(xiàn)象。”薛鵬介紹，量子行走在量子計(jì)算中有著廣泛的應(yīng)用，但能否同時(shí)應(yīng)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(kuò)散與恢復(fù)。

什么是量子行走呢？薛鵬說，假設(shè)一個(gè)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(jīng)典隨機(jī)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(kuò)散傳播的速度要比經(jīng)典世界快得多。

而在量子行走中，信息的傳播擴(kuò)散與恢復(fù)，如同向平靜的水面扔石子，可以看到水波一圈圈地?cái)U(kuò)散開去，緊接著又有一個(gè)“倒帶”畫面，擴(kuò)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(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)名為光學(xué)中模擬拓?fù)湎嘧兊膶?shí)驗(yàn)。經(jīng)過反復(fù)演算，發(fā)現(xiàn)原有方法從理論上就不能得出預(yù)期結(jié)論，自己最初的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也無法達(dá)到預(yù)期效果。

雖然一扇門被關(guān)上，但薛鵬憑借多年的理論積累又打開了一扇窗：“修改了實(shí)驗(yàn)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(kuò)散與恢復(fù)，如果取得成功，就確保了量子行走除了可以應(yīng)用于量子計(jì)算還可以應(yīng)用于量子通信。我們?cè)O(shè)計(jì)出通過8步量子行走實(shí)現(xiàn)量子態(tài)的演化并最終完全恢復(fù)到了最初始的狀態(tài)。”

實(shí)驗(yàn)成功了！實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證了周期性量子行走，從而確保了量子行走可以應(yīng)用于量子通信。論文寫好、投出，卻沒有等來好消息�！段锢碓u(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）的編輯回復(fù)說，實(shí)驗(yàn)需要更多的周期和擴(kuò)展來進(jìn)行論證。

“當(dāng)時(shí)，很多人都勸我放棄，包括來自加拿大的合作者也認(rèn)為要證明實(shí)驗(yàn)的可擴(kuò)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(gè)周期，審稿人和編輯認(rèn)為一個(gè)周期不足以證明，我就再做到16步，展示兩個(gè)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(tuán)隊(duì)調(diào)整實(shí)驗(yàn)方法，在關(guān)了燈的暗室，每天站七八個(gè)小時(shí)觀測(cè)非常微弱的近紅外單光子光束，一呆就是3個(gè)月，邊搭光路邊探測(cè)邊調(diào)整。最終在16步量子行走的演化過程中，連續(xù)兩次觀測(cè)到了量子信息的傳播擴(kuò)散與恢復(fù)現(xiàn)象。

此后，薛鵬團(tuán)隊(duì)的這一實(shí)驗(yàn)連續(xù)突破一維空間量子行走演化上限，目前已經(jīng)做到20步以上，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

在物理學(xué)科的分支中，量子信息學(xué)是新興學(xué)科，盡管不斷制造著研究熱點(diǎn)，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(xué)研究群體投身這一領(lǐng)域，但量子研究目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

雅各布·泰勒認(rèn)為，最大的挑戰(zhàn)之一，就是如何開發(fā)出最有趣的應(yīng)用和算法，使得我們能從中等規(guī)模的量子計(jì)算儀器中獲益。我們目前努力的關(guān)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(duì)于人類的價(jià)值。

量子力學(xué)發(fā)展到今天，已有100多年的歷史。如果說前一個(gè)100年，它帶給我們激光、晶體管、電腦、核能等突破性技術(shù)和成果，解釋了量子力學(xué)能讓我們“做什么”的問題；那么，下一個(gè)100年中，不少物理學(xué)家提出要進(jìn)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(jīng)典世界之間有著顯著區(qū)別，量子關(guān)聯(lián)是否受到距離的影響，量子變量的測(cè)量結(jié)果是否受到另一變量測(cè)量的影響？這兩種實(shí)在性是相互獨(dú)立還是存在一定的關(guān)系呢？

“這個(gè)問題屬于量子力學(xué)的本質(zhì)問題。”薛鵬坦言，物理學(xué)家既要“仰望星空”，致力于最尖端最前沿的技術(shù)應(yīng)用，也要“腳踏實(shí)地”，關(guān)注學(xué)科的本源和基礎(chǔ)。曾有過多年理論研究基礎(chǔ)的她，希望能有更多精力來進(jìn)行基礎(chǔ)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(shí)的教學(xué)和科研中，她時(shí)常對(duì)學(xué)生們進(jìn)行鼓勵(lì)和引導(dǎo)：“學(xué)物理并不是一個(gè)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(shí)還要勤奮肯吃苦，只有這樣才能在這個(gè)領(lǐng)域有所建樹。”

《人民日?qǐng)?bào)》 2016年10月11日 12 版      本報(bào)記者 姚雪青 廖政軍