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本期《女科學(xué)家在哪里？》我們采訪了實驗物理學(xué)家、東南大學(xué)物理系教授薛鵬。 與很多知性女性所表現(xiàn)出的優(yōu)雅、從容不同，薛鵬的堅韌、堅韌、執(zhí)著、誠實讓人印象深刻。 在她下定決心從原始理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嶒炑芯康倪^程中，人、錢、物的極度短缺讓她的每一步都艱難而痛苦。 但最終，短短一年半的時間成為理論物理學(xué)家，她的研究小組在量子信息和量子光學(xué)方面取得了令人矚目的成果。
薛鵬，東南大學(xué)物理系教授、博士生導(dǎo)師。 1999年，他提前一年以優(yōu)異的成績從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)位，于2004年獲得博士學(xué)位。后在奧地利因斯布魯克大學(xué)任博士后、講師，加拿大卡爾加里大學(xué)。 2009年，他回國任教。 從事量子信息和量子光學(xué)的實驗和理論研究，致力于量子信息和量子光學(xué)的實用化和工程化。
努力利用量子行走實現(xiàn)量子通信
Sai先生：感謝您接受我們的采訪。 請您先介紹一下您的主要研究工作？ 到目前為止，您認為您工作中最好的部分是什么？
薛鵬：我主要從事量子信息和量子光學(xué)方面的研究。 2013年之前，我從事量子信息和量子光學(xué)的理論研究，但物理學(xué)是一門實驗學(xué)科，很多物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和驗證都離不開實驗。 作為一名理論物理學(xué)家，在與實驗物理學(xué)家一起工作時，你會發(fā)現(xiàn)很多理論想法由于實驗條件的限制而無法實現(xiàn)。 有時候你也會想，如果你自己做實驗的話，在這方面是不是就不再受到別人的限制了。 而且，在量子物理方面，實驗結(jié)果往往更容易被認可，能夠帶來更多的資金支持。 經(jīng)過綜合考慮，我決定在實驗方向上嘗試一下。
2013年下半年，我開始負責(zé)東南大學(xué)量子光學(xué)實驗平臺的建設(shè)。 我正式轉(zhuǎn)向?qū)嶒炍锢矸较颍醪酱罱丝蒲衅脚_。 目前，實驗室已購置光纖飛秒激光器、半導(dǎo)體激光器、單光子探測器、八通道數(shù)字信號重合儀等實驗儀器，開展了量子行走課題的開創(chuàng)性、系統(tǒng)性的實驗研究。
2015年，我們率先觀測到量子行走過程中光信息的傳播、擴散和恢復(fù)，并在國際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表相關(guān)實驗論文。 量子行走在量子計算中有著廣泛的應(yīng)用，例如使用量子行走開發(fā)的無序數(shù)據(jù)庫的搜索算法。 那么，量子行走能否應(yīng)用于量子通信呢？ 這主要取決于量子行走過程中是否存在信息傳播和恢復(fù)。 我們觀察到攜帶信息的量子行走者在任意偶數(shù)個演化時間后都可以回到初始狀態(tài)，在此之前它仍然遵循量子行走的擴散定律。 該理論的提出和實驗驗證顛覆了人們以往對量子行走的認識，為量子行走在量子信息中的應(yīng)用提供了新的方向，為基于量子力學(xué)理解動態(tài)演化的基本現(xiàn)象提供了新的見解。 的視角，也為研究量子擴散和拓撲現(xiàn)象的量子模擬提供了新的思路。 隨后，研究團隊利用線性光學(xué)系統(tǒng)首次實驗實現(xiàn)了基于量子行走的正定算子測量，并在《2017》上發(fā)表了相關(guān)實驗論文。 依靠光子空間模式的量子行走演化，我們構(gòu)建了用于正定算子測量的測量算子，并成功優(yōu)化了非正交態(tài)的無差錯狀態(tài)識別。 該理論的提出和實驗驗證，顛覆了人們以往對量子行走應(yīng)用的單一認識，為量子行走在量子計量中的應(yīng)用提供了新的方向，為理解量子力學(xué)的基本原理提供了新的途徑。 工具——廣義測量和鈍化測量，也為研究量子信道和量子保密通信提供了新思路。
2016年，研究團隊首次在實驗中觀察到非定域性和互文性兩種量子特性之間的權(quán)衡關(guān)系，從而為揭示量子糾纏是一種普遍資源提供了直接證據(jù)。 。 這個實驗刷新了人們對量子糾纏的傳統(tǒng)認識，首次提出量子糾纏是一種更為普適的量子資源。 非局域性和互文性的驗證會消耗這個資源，證明非局域性和互文性是同一現(xiàn)實的兩種不同表征的新思想。 該論文發(fā)表于并被選為編輯推薦論文。
Sai先生：您現(xiàn)在最感興趣的研究課題是什么？ 你最大的挑戰(zhàn)和優(yōu)勢是什么？你最有可能在哪里取得突破？
薛鵬：我目前最感興趣的研究課題是利用量子行走開發(fā)通用的量子信息處理平臺。 量子行走平臺可以實現(xiàn)任意二維或高維系統(tǒng)的幺正演化，從而實現(xiàn)量子態(tài)準備與傳輸、量子邏輯門運算、量子測量等一系列量子信息處理任務(wù)。 這是因為量子行走的可控自由度包括硬幣和行走者。 步行者可以將硬幣的狀態(tài)攜帶到適當(dāng)?shù)奈恢茫▽?yīng)時域中適當(dāng)?shù)臅r間節(jié)點），并且硬幣旋轉(zhuǎn)的過程可以實現(xiàn)控制。 步行者某些位置處硬幣狀態(tài)的幺正演化。 例如，如果我們要實現(xiàn)三能級系統(tǒng)()的SU(3)的3×3酉演化，我們可以首先將SU(3)的矩陣分解為SU(2)的三個矩陣的點積）。 每個 SU(2) 在三維系統(tǒng)中的二維上執(zhí)行單位旋轉(zhuǎn)操作。 我們可以通過硬幣旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)這種單位操作，同時通過“行走”重新排列三維系統(tǒng)的基向量，可以選擇在三個維度中的任意兩個維度上進行單位旋轉(zhuǎn)。 對于量子行走平臺，每個單位旋轉(zhuǎn)操作可以通過相應(yīng)的拋硬幣過程來實現(xiàn)，并且基向量的重新排列可以通過行走者在時域空間中行走來實現(xiàn)。 由此我們可以看出，量子行走可以作為通用的量子信息處理平臺，實現(xiàn)任意二維或高維狀態(tài)的酉演化。
最大的挑戰(zhàn)是如何將量子行走平臺小型化和集成化。 我們已經(jīng)取得了一些相關(guān)進展。 我們組的優(yōu)勢是我對量子行走的深入研究和多年的積累。 俗話說“一招通用”，我希望有一天我能在量子行走的方向上成為不可替代的人。 提到量子行走這個話題，業(yè)內(nèi)人士就能想到我和我的研究團隊。
在不久的將來，希望我們能夠在量子行走平臺上實現(xiàn)量子模擬方面取得更大的突破。
賽先生：您認為與經(jīng)典相比，如何描述量子所表現(xiàn)出的非凡品質(zhì)？
薛鵬：與經(jīng)典相比，量子最大的特點是疊加。 同時，它在不同的量子態(tài)下是相干的、概率性的。 在測量之前無法確定它是什么狀態(tài)，但是在測量之后，它崩潰到可觀察的狀態(tài)。 本征態(tài)之一。 量子特性全由此而來。
賽先生：對量子世界的理解會影響您的世界觀和宇宙觀嗎？
薛鵬：我在大學(xué)的時候就接觸了量子世界，我的世界觀、宇宙觀很早就形成了，而且比較堅定，并沒有因為我對量子世界的理解而改變。 量子信息學(xué)和量子光學(xué)是我的專業(yè)。 我的科研課題對我的“三觀”沒有影響。
賽先生：雖然物理學(xué)是一個整體，而且您的研究也非常系統(tǒng)，但物理學(xué)內(nèi)部有很多不同的傾向和美麗。 對您來說，有哪些深刻的研究動機或科學(xué)之美讓您感動？
薛鵬：我之前說過，我覺得薛定諤方程很漂亮。 每次解薛定諤方程時，我都會驚嘆線性代數(shù)和薛定諤方程的美妙。
美麗的背后是辛酸
Sai先生：現(xiàn)在我們來談?wù)勀鷤€人吧。 學(xué)習(xí)物理的女孩并不多。 您是如何決定學(xué)習(xí)物理學(xué)的？您什么時候開始想成為一名物理學(xué)家？
薛鵬：我從小就是公認的聰明孩子。 我對數(shù)理化、文史哲基本沒有偏見。 我們中學(xué)時流行一句話：“學(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕”。 數(shù)學(xué)是基礎(chǔ)，化學(xué)更具體。 我認為這并不困難。 為了證明自己聰明，我從初二開始。 我決定學(xué)好物理。 起初是出于虛榮心，但后來了解得越多，我就越感興趣。 1995年參加高考后，我考入了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系。 我提前一年畢業(yè)，取得了免試研究生資格。 師從郭光燦院士，從事量子光學(xué)和量子信息研究。 博士畢業(yè)后，我在奧地利因斯布魯克大學(xué)和加拿大卡爾加里大學(xué)從事博士后研究。 2009年，我作為引進人才回國加入東南大學(xué)，順理成章地成為一名從事基礎(chǔ)物理研究的科研人員。
賽先生：可以說，2013年之后，您迅速而成功地從理論轉(zhuǎn)向了實驗。 你是怎么做到的？
薛鵬：在實驗方向取得重要成果后，很多人說我在短短一年半的時間里實現(xiàn)了從理論到實驗的華麗轉(zhuǎn)身。 但這一轉(zhuǎn)折的背后，每一步都充滿了困難。 主要存在三個困難。 首先是實驗室空間，第二是人員，最后是經(jīng)費。 實驗住房是最難解決的問題。 狹小的空間需要與其他人共用，施工的拖延使得實驗變得困難。 此外，學(xué)生資源有限、資金匱乏也讓這次“華麗轉(zhuǎn)身”變得異常艱難。 當(dāng)時資金非常匱乏，連基本的實驗設(shè)備和材料都買不到。 幸運的是，該部門后來提供了36萬元的支持，用于購買第一批儀器。 這筆費用直接堅定了我做實驗的決心。 但我的想法是：有錢就做賺錢的事，沒錢就做沒錢的事。 實驗不一定需要那么多資金。 當(dāng)資金不足時，我們可以通過聰明才智來突破。 總有一個方向你能找到，突破之后就會變得清晰。 改變你的生活永遠不會太晚。 不要尋找客觀原因，因為它們沒有用。 原因只能安慰自己，別人根本不在乎。 我們總是說重要的是過程，而不是結(jié)果。 事實上，過程只對我們重要。 我們在這個過程中學(xué)習(xí)、享受、受苦并堅持。 所有這些對我們來說都是寶貴的資產(chǎn)，而其他人只看到結(jié)果。
這個故事并不有趣，但對我來說確實很心酸。 每次我參加會議做報告時，我都會用幻燈片介紹我們實驗室的基本情況。 例如，實驗室是與他人共用的，只有一個2.4×1.2米的平臺。 所有資產(chǎn)包括裝飾潔凈室的費用。 超過60萬等。 現(xiàn)在隨著科學(xué)研究越來越走上正軌，希望情況能夠逐漸好轉(zhuǎn)。 我對此還是非常樂觀的。
賽先生：在您的學(xué)習(xí)和職業(yè)生涯中，哪些科學(xué)家的方法和興趣對您產(chǎn)生了深遠的影響？
薛鵬：我是一個比較依賴自己判斷的人。 書中科學(xué)家的軼事或功績并沒有給我很大的啟發(fā)或感動。 所以，對我影響深遠的人都是我身邊認識的人，比如我。 他的導(dǎo)師郭光燦院士。 他的科學(xué)品味是我一直在學(xué)習(xí)的，而他的生活態(tài)度，尤其是他教育和引導(dǎo)學(xué)生的方式，是我一直在模仿卻未能達到的。 正是他借錢做實驗的決心，激勵了我現(xiàn)在，堅定了我從理論向?qū)嶒炥D(zhuǎn)化的信心。
賽先生：您認為您性格中的哪些品質(zhì)對您的科學(xué)研究最有幫助？
薛鵬：我的堅韌、獨立、對自己的清晰認識都對我的科研工作有幫助。 最有幫助的是我很勤奮，能吃苦。 我覺得即使我不從事科學(xué)研究，我也會從這種品質(zhì)中受益。
賽先生：您平時的工作習(xí)慣是什么，最重要的經(jīng)歷是什么？ 您喜歡通過與他人交談來討論問題嗎？ 說話會給你靈感或啟發(fā)嗎？
薛鵬：我平時的工作習(xí)慣是先完成一件事再開始另一件事。 最重要的經(jīng)歷就是勤奮，肯吃苦成為理論物理學(xué)家，堅信別人能做的事你也能做。 如果還是做不到，那只是付出的心血和時間還沒有積累起來。
我與其他人討論問題，通常是與同行、合作者和學(xué)生討論科學(xué)研究問題。 但我不習(xí)慣閑聊。 當(dāng)我和別人討論問題的時候英語作文，我事先就有了非常明確的目的和方向，我就直接去解決問題。 我也很羨慕一些人可以通過平常的談話或閑聊獲得解決難題的靈感或靈感，但這不太適用于我。 大多數(shù)時候，我說話很少。 當(dāng)然，我和家人、朋友的談話還是很昂揚的，但是工作和生活還是比較分開的。
賽先生：您認為進入物理研究后，現(xiàn)實與最初的理想一致嗎？ 你的工作給你帶來最大的滿足和失望是什么？
薛鵬：我現(xiàn)在從事的工作恰好是我的興趣，我也可以用興趣來養(yǎng)活自己。 這是我的工作給我?guī)淼淖畲蟮臐M足； 但我賺到的辛苦錢和我的努力和壓力不一樣。 不成比例，這就是工作給我?guī)淼膿p失。 另外，雖然科研工作還算不錯，而且經(jīng)過長期的積累，近年來也出現(xiàn)了一些高水平的論文，但我已經(jīng)40多歲了，卻因為種種原因一直沒有入選。人才項目，而我沒有頭銜。 而且科研工作缺乏基礎(chǔ)平臺和支撐。 可以說基本上是捉襟見肘，舉步維艱。 這一切都取決于我堅持下去的意志和品質(zhì)。 然而，這不是一個長期的解決方案。 這是我現(xiàn)在最大的失落和苦惱。
薛鵬教授課題組實驗室儀器設(shè)備