热潮下的冷思考
——记北京大学前沿计算研究中心研究员袁骁
2023-10-08
20世纪60年代，量子力学最伟大的实践者之一理查德•菲利普•费曼（Richard Phillips Feynman）曾写下这样一句话：“我想我可以有把握地说，没人真正懂得量子力学。”这句话在今天看来仍有意义。迄今，人类还只能描述量子现象，而无法理解其背后的真正运行机制——因为量子世界的神秘之处在于，它所对应的物理是人类无法通过宏观感知识别的。为了揭示其中的奥妙规律，物理学家已经提出了许多理论与多种诠释。如今，这些专业术语随着量子科技的发展也已逐渐渗透到了大众的视野之中，如“纠缠”“测量”“退相干”等，听起来神秘且晦涩，但也富有极强的魅力，吸引着无数如北京大学前沿计算研究中心研究员袁骁一般的青年科研人甘愿投身其中，奉献青春。“我目前的研究领域主要是关于量子信息和量子计算的基础理论。”针对这样一门由量子物理、计算机科学与信息科学相结合而产生的新兴交叉学科，袁骁坚定地认为，量子信息和量子计算会是未来物理学和信息学发展的重大方向之一，“利用量子物理不同于经典物理的特性，我们可以为计算机科学、信息科学提供新的方向，如安全量子通信协议，超越经典算法的量子计算等。”
少年何妨梦摘星 敢挽桑弓射玉衡
早在高中时，袁骁在理科方面的天赋便已崭露头角。作为班级中的一名“竞赛选手”，数学对他而言，不仅是争取荣誉的赛场，更寄托着他求达真理的青衿壮志。但是通过高强度的学习与训练，他却渐渐觉得抽象的数学公式似乎成了桎梏，让自己难以发现万物运行的本质规律。“当然那时候的想法肯定不是很成熟”，立足当下回首青涩光阴，袁骁如此评价彼时的自己，但同时他也庆幸着与物理学的相遇。
通过课本外加一些科普类书籍，物理学中对于探索宇宙运行机理的部分深深吸引着袁骁的目光，其“物有本末，事有始终”的演变规律与他对科研的无尽畅想不谋而合。于是，他在填报志愿时坚定地报考了北京大学的理论物理学专业，决心在这一领域中一展宏图，正所谓“少年何妨梦摘星，敢挽桑弓射玉衡”。
整个本科阶段，袁骁一直在天体物理与理论物理等领域中潜心笃行。“但其实那时候，我并没有真正参与科研，没有发表一篇文章。”也或许正是在这段时间里，袁骁锤炼出了笑对挫折、苦中作乐的坚韧品质，“我觉得刚开始投入科研工作，有些坎坷太正常了”。“下得了苦功夫，坐得住冷板凳”，袁骁便是凭借着此种毅力，不仅同时获得了理论物理与计算机的双学位，更将国内另一所顶级学府——清华大学——的博士录取通知书也收入囊中。
2012年，袁骁顺利成为清华大学第二批量子信息方向的博士生。“我听了很多公开课，最终决定将量子信息作为我毕生的研究目标。”所谓量子信息科学，就是量子物理学和信息科学的交叉学科。这种诞生于后摩尔时代下的计算、编码和信息传输的全新信息方式，将充分发挥量子相干、量子纠缠等特性的强大作用，为突破芯片极限提供新概念、新思路和新途径，这不仅充分显示了学科交叉的重要性，且量子信息的最终物理实现，更会催生物理学、信息科学等观念和模式的重大变革。
吾生也有涯，而知也无涯，为追寻这个尚且遥远的科研理想，袁骁深以为自己的知识储备与科研视野仍须不断扩展，因此他在其后的几年之中相继前往中国科学技术大学、英国牛津大学与美国斯坦福大学开展博士后阶段的研究工作，力求吸纳百家之长，滋养自身之理想。
逐梦量子稳步而行 学成归来初为人师
如今，量子计算等技术在全球的学术界与工业界都是备受瞩目的焦点，人才紧俏、研究火爆，发展势头十分迅猛，甚至已逐渐成为世界各国战略竞争的重点之一。各国高校都纷纷开始建立起相关的重点实验室，但袁骁却对海外相对前沿的研究环境毫无留恋，在2020年成功走完了在斯坦福大学的“取经”之旅后，毅然下定决心回归祖国，纵然其间遭遇了疫情的阻碍，但他还是顺利加入了令他寤寐思服的母校——北京大学的前沿计算研究中心，为我国的量子技术添砖加瓦。
“一方面，我在研究量子信息的基础理论，这有助于更好地理解量子特性，从而设计出新的量子协议和算法。另一方面，我和团队主要以目前或近期可实现的量子计算机为目标，来设计新的量子计算算法。”相较于为21世纪信息科学发展提供新的原理和方法的量子信息技术，量子计算的实现目前仍相对受限。另外，虽然量子通信是当之无愧的信息安全利器，但相比起来，量子计算一旦被攻破，则可能成为新一代科技进步的引擎。但若要实现通用量子计算，无疑需要学术界和工业界的共同努力。
尽管目前对于多久可以实现通用量子计算还有待讨论，但针对特定问题的小规模量子芯片或许有望在不久的将来得以达成，甚至可以希冀的是，小型量子芯片在未来会在化学、材料、人工智能等众多特定领域绽放光芒。
依托于这样的发展背景，袁骁也在自己的职业规划路上稳步前行：在量子相干性方面，他创新性地提出了量子相干性的度量、提纯及与量子随机性的关系，相关文章入选了基本科学指标数据库（ESI）Top 1%高引论文。与此同时，袁骁还提出并解决了单份量子相干性的稀释问题，为单份量子相干性理论提供了基础。在量子纠缠探测方面，他提出了纠缠验证的测量漏洞问题，并与中国科学技术大学实验团队合作实现了克服相关问题的纠缠验证实验。
始于理论，臻于应用。袁骁对于量子计算的应用同样有着自己的洞见：在量子随机数方面，他着眼于基于量子相干性的应用，设计并实现了基于超导量子比特的量子伯努利工厂协议；在量子模拟方面，他则更多聚焦于基于量子错误缓解算法，提出了量子计算机的虚实演化变分算法以及在量子化学中的应用方法，并针对一般过程的量子模拟算法和有效的开放系统进行模拟。同时，袁骁还在《现代物理评论》（Reviews of Modern Physics）和《自然物理评论》（Nature Review Physics）发表综述论文，且都入选了基本科学指标数据库（ESI）Top 0.1%高被引论文。
迄今，袁骁与量子信息和计算科学结缘已十年有余。这期间，他共在国际学术期刊，例如《自然》（Nature）及其子刊、《科学》（Science）、《物理评论X》（Physical Review X）、《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《现代物理评论》（Reviews of Modern Physics）等发表论文共76篇，其中包括3篇ESI热点论文（0.1%）和6篇ESI高引论文（1%），其工作还多次被国内外媒体报道。
对科研，袁骁胸有成竹、循梦而行，但对加入高校后初为人师的新身份，他却表示“还在学习中”。“从学生到老师，这一身份的转变还需要一些时间来适应，为人师表是一件不容易的事。”袁骁直言。不过，一年的上课体验已让他收获了授人以渔的成就感，但同时，他也反思道：“不同学生的学习和接受能力可能差异很大，因此需要因材施教，今后我也会朝此方向不断努力。”
木铎金声，滋兰树蕙。量子技术的未来光明但道阻且长，需要学术界薪火相传方能发展壮大。袁骁作为其中集学、研一体的年轻科研人，更觉重任在肩，不敢懈怠。因此，他表示要始终保持一颗冷静的头脑，即便在量子技术掀起的如此热潮中，也须心无外物地冷静思考，因材施教地立德树人。
来源：科学中国人 2023年9期 创新之路
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