艰难的学术生存之道


超弦理论之父史瓦兹,曾担任普林斯顿大学助理教授,由于没有拿到终身职位,只好去加州理工做研究员,从1972年到1985年。然后1984年他发起了超弦 理论革命,一年后被晋升为正教授。暴涨理论的提出者阿兰 古斯,MIT博士毕业后辗转若干个机构做博士后九年,在提出暴涨理论后回到MIT任副教授。苦逼的学者,只有做出突破性的研究成果,才可能在学术圈生存下来。

提出量子多世界理论的Hugh Everett III, 研究成果不被认可。只好受雇于国防部去研究国防,退出物理界。1982年,51岁时,一直坚信量子永生Everett的由于心脏病突然离世。G.茨威格和 盖尔曼同时发现夸克,因为他执意要发在PRL上,得罪了CERN的同行,文章最终没有发表。盖尔曼后来得了诺贝尔奖,茨威格则只能退出了物理学界。基础研 究有风险,做出一流工作,也不一定能生存。

上面这几个例子只是成名人物,所以能够留下记录。不出名的人,更多是早早默无声息的退出了学术 圈。 越是聪明绝顶而有野心的人,越是希望挑战大题目,越是有可能在挑战大题目的过程中失败而离开学术界。我们不知道谁能生存,谁会退出。有一个段子是这样说 的,Witten接受国会质询时,被问到,美国目前有多少弦论专家?他说有一百人。那么我们需要多少人呢?Witten说,大概1个人。那为什么要资助这 剩下的99人呢?因为我们不知道怎么把这一个人从99人中挑选出来。

要在学术圈生存怎么办?那就接受自己的平庸,做一些小的题目,扎扎实实 地做透。无法做出震动世界的工作,但至少能给这个领域有自己的贡献。降低风险,也降低了收益。当然,那些胸怀大志的人是不可能做这种选择的。对他们来说, 学术上做不出重大的成绩,还不如早点转行。以他们的聪明才智,做别的行业都很容易有成绩。

论文的价值如何体现?


从开始做科研的那天起,我们就开始学习写论文。论文是我们科研结果的总结,是与同行交流的媒介。于是,慢慢的围绕着论文也出现了一系列的指标来度量其价值。

  • 论文发表的刊物档次决定了论文的档次。这大体是不错的。所以能够在一流的学术刊物上发表论文意味着作者水平高,在评奖,升职称等方面都是重要筹码。
  • 论文发表后的引用次数越高,表明影响力越大,意味着论文越重要。这也是一个客观指标。要是一个物理学者有十篇论文的引用都超过一百次,那他应该是个大牛人了。
  • 论文发表后媒体是否报道了,如果能够引起主流媒体的关注,那么也是价值所在。

实际上,对论文最清楚的是作者自己。即使论文没有发表在一流的刊物,没有多少人引用,也没有媒体报道,但只要作者自己相信它的价值,不断的宣传,还是有发光的那天。

2009年,我发表了两篇有关光力学的论文,那也是我首次在这个领域做工作。论文发表后不久,我认识了正在做相关实验的J博士。我向他极力推销我的工作,他也很有兴趣。可他的实验是在美国交换的时候做的,国内没有条件做不了,只好搁置起来。我后来的研究兴趣也转向了光力学的其他方向。

后来他毕业了去南京工作,从零开始慢慢搭建实验平台,我也与他保持联系。经过四年的时间,他终于把所有的平台与工艺都建好了,我们可以合作做实验了。正在这时,我们听闻有一个基金项目,打算支持光力学实验。于是赶紧合作写申请书,由他们组的首席教授领衔申请。申请书交上去之后,J博士在相关的实验上又发表了一篇nature子刊的论文。凭借这些积累,我们顺利通过最终答辩,拿到基金。最近他告诉我,实验进展顺利,马上就要开始验证我论文中研究的模型。基金到位后,会升级实验平台,争取做得更好。

2009年我发表论文时,博士还没有毕业,只是光力学领域的新丁,J博士跟我情况类似。这两篇论文后来引用一般,似乎被很多人忽视了。这几年我们分别积累实验和理论资源,以此论文为蓝本申请基金,终于能够开展实质性合作了。这样看来,这两篇论文对我价值很大。只是要发挥其作用,需要耐心、坚持和专注。

数学教授张益唐


去年5月,一位华人数学家张益唐突然一夜成名,因为他在孪生素数猜想上做出了突破性的贡献,证明了7000万以内的素数对是有无穷多的。这篇论文很快就在数学顶级刊物上发表了,其他数学家对此也有很大兴趣。菲尔兹奖获得者陶哲轩发起了一个合作研究项目,把这个界限很快降低到了几百。

一年过去了,我最近又查了一下张益唐的近况。自从论文发表后,他很快得到普林斯顿高等研究院邀请,去那里做访问学者。今年他跳过了助理教授,副教授等几个台阶,直接被聘为正教授了,且被选为中研院院士。美国数学学会更将崇高的柯尔数论奖 授予他。最厉害的是,他将会在今年的数学大会上做一个小时的邀请报告。这个会议四年一次,能在上面做邀请报告的,都是最顶尖的数学家,做出了最杰出的工作 才能获得邀请。华人数学家中,只有陈省身,丘成桐等少数几个。据说他除了将孪生素数问题,还会讲他在黎曼猜想上的工作。由于他的杰出工作,今年他被邀请在 北京大学的毕业典礼上给毕业生做演讲,演讲很短,值得一看。

张益唐成名后者一年来,把别人几十年的荣誉都拿遍了。 可是他的生平是很坎坷的。他二十多岁才入北京大学,当年成绩很好,北大研究生毕业之后,去了美国普渡大学。在普渡念了六、七年才拿到博士学位。可是由于他 的博士论文用到的他导师证明的定理后来被发现错误,导致他几乎无法毕业。也因此与导师老死不相往来。由于拿不到导师的推荐信,于是无法获得学术界的工作, 只能打零工。直到1999年才在新罕布什尔大学拿到了一个临时性的讲师的职位,一直干了十几年。有意思的是,在张益唐由于孪生素数上的贡献一夜成名之后,他的博士导师很快就写了一篇回忆文章来描述张益唐跟随他读博士的经过,似乎是为当年的事情进行辩解。但是张益唐一直避而不谈他导师,在他心中,北大是唯一的母校。

难 以想象,张益唐能够在如此恶劣的学术环境下做出这样杰出的工作。而且从他在数学大会上的报告题目可以看出,他在黎曼猜想上还有很重要的工作准备发表。孪生 素数的突破绝对不是幸运,是他的实力所在。但愿他还能保持学术创造力,做出更多重要的工作。张益唐是一面镜子,让我们这些做学术研究的人,看到自身的浮躁 与肤浅。做不出重要的研究工作,不能怨别人,主要还是自己不够专注,执着。

用超导比特组成量子网络


在一年半以前,北京最冷的一个冬天,人们都盼望气温升高时,我却开始想如何把实验室中的量子系统冷却得更低,到绝对零度附近,也就是零下273.15度附近。经过这个一年多断断续续的计算与讨论,我终于把这个想法写成了论文

在光力学系统中,人们对光学边带冷却机械振子的运动到量子基态有了很多研究,实验上也有很大进展。我把这个冷却的思路用到超导量子计算系统中,发现可以用光学模式来冷却超导电路中的微波波段量子比特。即使系统的温度在1K量级,也可能把超导比特冷却到量子基 态,也可以让超导比特与光学光子纠缠起来,从而利用光子实现超导比特之间的量子网络。考虑到通常我们都需要把超导比特环境冷却到20毫开,才能实现可靠的 量子信息处理,如果我的这个想法能够实现的话,也许能够把超导量子计算的工作温度提升两个量级。利用光力学耦合超导量子比特与光学模式的另外一个好处在于,光学量子比特的频率与波形都可以方便的进行调控,便于我们更加高效的实现量子网络,也可以让我们能够实现超导比特与其他量子比特,比如离子阱,量子点,金刚石色心之间的量子网络。

量子信息简要介绍


众所周知,量子力学是到目前为止描述自然运行规律最为成功的理论之一。 20 世纪初发展出来的量子力学包含了很多与人们日常经验直觉违背的现象,其中最让人惊奇的就是 1935 年爱因斯坦、Podolsky 和 Rosen 提出的 EPR 佯谬,这一佯谬凸显出了量子力学的非定域性。经过多年的争议,在 1964 年 Bell 建议用实验来验证这个佯谬后十多年,Aspect 用纠缠光子对完成了对 Bell 不等式的实验验证,支持量子非定域性。
正是受到这些理论与实验的启发,从 1980 年代开始,人们开始研究基于量子物理规律运行的量子信息科学。量子信息科学是信息科学与量子物理学的交叉学科,它是利用量子物理特有的量子相干特性,以及量子纠缠等特有的量子关联特性,以崭新的方式实现信息的处理、存储和传输。比方说,量子 Shor 算法用于解决质因数分解问题的速度比起任何已知的经典算法的速度都有指数级的提高,揭示出了量子力学强大的计算能力。量子保密通讯方案能够在相距遥远的两个节点之间实现对任何攻击的无条件的安全通讯,揭示出了量子力学对于保密通讯的重大应用前景。
由于量子信息科学所具有的广泛的应用前景,它吸引了许多学科的研究人员参与研究。在过去的近二十年中,已经取得了很多重大的进展:比如 1995 年实现了首个基于离子阱的量子逻辑门;1997 年人们首次实现了基于光子的量子隐形传态;2001年段路明等人提出了实验可行的、容错的量子中继器方案。2005 年以后,随着量子诱骗态编码的出现,大大提高了量子保密通讯的安全距离和成码率,量子保密通讯已经渐渐走向实用化。
随着研究的深入,同时也凸显了量子信息科学在实际应用中的困难。2000 年,DiVincenzo 提出,如果要在物理上实现大规模量子计算和量子通讯,需要同时满足以下七个条件:
1 一个能表征量子比特并可扩展的物理系统,一般来说,任何二能级体系都符合这个条件;
2 能够把量子比特初始化为一个标准态,这相当于要求量子计算的输入态应当是已知的;
3 退相干相对于量子门操作时间要足够长,这保证在系统退相干之前能够完成整个量子计算;
4 构造一系列普适的量子门完成量子计算;
5 具备对量子计算的末态进行测量的能力;
6 在静止量子比特和飞行量子比特之间实现量子信息的转换;
7 具有在节点间实现量子比特传输的能力。
其中判据 1 到 5 都是单个量子信息处理节点所必须的,第 6 和第 7 条是实现量子通讯以及量子网络所必须的。这其中最大的困难在于寻找合适的物理系统来抵御退相干效应,同时这个系统还应该很容易扩展。一直以来孤立原子都是人们用来实现量子信息处理最感兴趣的物理系统。比如单个原子可以与光频和微波段的腔耦合,囚禁离子系统也被用来操控单个以及多个原子离子,实现简单的量子信息处理操作。相关的实验成果已经获得了 2012 年诺贝尔物理学奖。但是利用真空中的单原子系统实现量子信息处理需要非常复杂的操控系统来实现对单个原子的操控,这极大的限制了其实际应用。

夏威夷开会


离开美国五年之后,我又来到了这里。不过没有去美国本土,而是有名的度假胜地夏威夷檀香山开会一周。

我参加的是IEEE ISIT会议,会议的主题是信息论。我作为一个物理系出身的人,参加这个会议只能说是打酱油。本来也是轮不到我的,可是更适合开会的合作者们都由于有事情来不了时,我就不得不顶上了。会议规定,如果没有人在会议上出现做报告,那么将会撤销论文。还好,我做的二十分钟报告没有人提问题,我也顺利的讲完了。

会议间隙,我去了珍珠港参观。先免费参观了亚利桑那号纪念馆。亚利桑那号在日本人偷袭珍珠港时被击沉,阵亡一千多人。美国后来在沉船的水面上建了一个纪念馆。还拍了一部纪念片来记录珍珠港事件。从纪念片中,我了解到,珍珠港事件,美国总共死亡两千多人,受伤千余人。然后就全国动员,向日本宣战,三年多解决了日本。这比反恐战争利索多了。大了十多年,恐怖份子还是没有减少,反倒越来越多了。

然后我参观潜水艇和密苏里号战列舰。密苏里号也遭遇了珍珠港偷袭,但幸存下来。在后来的战争中表现出色。最后,日本签署投降书就是在密苏里号。1990年代,密苏里号还参加了美国对伊拉克的战争。那之后他就退役了,成为了一个博物馆供人游览,学习,纪念。站在密苏里号上,可以遥望中国来此访问和参加演习的神盾号战列舰。能够亲眼见证中国海军首次访问夏威夷并与美国军队联合演习,真是让人激动。

在美国过完了国庆节,看了烟花,今天我就要返回北京了。再见美国,再见,夏威夷。

处于量子态的生命体


两年前,我写过一篇文章《生命可以量子态吗?薛定谔病毒告诉你》,介绍最近人们感兴趣的用病毒来实现薛定谔猫态的实验构想。之所以写这么一篇文章,是因为我对这个题目也非常感兴趣。至于我对这个问题的兴趣由来,请听我一一道来。

实 际上,量子过程在生命体内是不可缺少的。早在1944年薛定谔就在他那本著名的小册子《生命是什么?》中,通过理论分析,证明了量子力学是我们理解生命现 象必不可少的工具。 近期的实验证明了,量子力学确实发挥了重要的作用,比如说光合作用,以及鸟类识别方向等等。我相信,未来利用量子力学作为工具,将会不断刷新我们对生命过 程的理解和认识。从微观角度来说,生命体就是处于量子态的,量子特性是很多生命过程能够存在的必要条件。

另 外一方面,薛定谔在1935年, 与爱因斯坦通信之后,为了揭露出量子力学的不完备性,也提出了薛定谔猫的理想实验。这种处于量子叠加态的宏观生命体,挑战了我们的常识,也激发了一代代物 理学家研究的灵感。回过头来看,很有意思的是,薛定谔先提出了生命体作为一个整体可能处于量子态,然后才宣称生命体内部的生物过程必须是量子化的。

对 于生命体内部的生物过程存在量子效应,学界应该有共识了,实验上的证据也很多。但是生命体作为一个整体能处于量子态么?这个想法本身就太离经叛道了。薛定 谔当初也是把这作为一个悖论提出来的。而现在,这个悖论真的有可能被验证了。在我写完那篇文章之后,最近两年这个方向上实验进展很大。因此,我现在的研究 重 点之一,就是设计出合适的方案,在实验上实现处于量子叠加态的生命体。我希望能够与实验专家合作在实验上实现它。一想到在不久之后的某一天,我们能在实验 中做出处于量子叠加态的生命体,我就觉得激动不已。物理学家们80年的梦想,终于快要照到现实了!