五年一千个,老铁没毛病!


量子计算机,自从1994年在实验室里出现首个原型,到现在二十多年了。量子计算机发展的最初20年,技术一直缓慢地在积累。人们尝试了离子阱,腔量子电动力学、超导电路、量子点,单光子,金刚石色心等很多个实验系统,但好像始终在研究如何实现两个量子比特的量子逻辑门,如何制备两个、三个量子比特的纠缠态什么的。光量子纠缠态从4个到6个,再到8个和10个光子,前后好像花了十五年吧。离子阱量子计算机的可控离子数目从两个增加到10个以上,也花了小二十年。目前最热门的超导量子计算机,在2005年前后量子比特的寿命不到100纳秒,两个量子比特逻辑门的保真度只有80%上下。

虽然从表面数字上量子计算机只是在缓慢的变化,但实际上技术还是在持续积累,人们对量子计算机的认识和信心也越累越强。2010年前后,超导量子计算机的技术开始迅猛发展,量子比特的寿命短短十年就从100纳秒提升到100微秒,同时逻辑门的保真度也迅速提升到99%以上,达到了容错量子计算的阈值以上。而离子阱系统中,在2011年也做出了14个离子的多体量子纠缠态

2015年前后,谷歌加入了量子计算机的硬件研发,从美国加州大学圣巴巴拉分校挖来了Martinis教授负责量子计算的硬件投入,同时IBM也在这个方向加大了投入,2016年发布了5个量子比特的量子计算云平台。创业公司也开始出现了,比如说最早做离子阱量子计算的Monroe教授创办了IonQ公司,发展离子阱量子计算,从IBM出来的Regetti 公司发展超导量子计算。中国的阿里巴巴、华为、腾讯和百度等公司也在两三年前开始了量子计算机的研发。他们从软件着手,目前也开始啃量子计算硬件的硬骨头。

工业界的投入让这个方向的发展步入了快车道,20多年的技术积累不是白费的,量子计算机无论是量子比特的数目,还是量子逻辑门的保真度都在快速提升。我记得IBM刚刚发布其量子云平台时,只包含5个量子比特,两个量子比特逻辑门的保真度只有95%左右。而2019年其最新发布的量子云平台,两量子比特逻辑门的保真度已经超过99%了。现在不论IBM还是谷歌都已经做出了60个量子比特以上的量子计算机,去年谷歌更是在其机器上演示了“量子霸权”的实验,验证了量子计算机可以超越经典计算机。

另一方面,在离子阱与超导量子计算机以外,基于硅基量子点与光子系统的量子计算也在蓬勃发展。比如说,低温下硅基量子点的相干时间被证明可以长达几个小时,而其工作温度也从10mK的超低温提升到了3K。开发硅基量子点量子计算机的公司,聘请了Martinis教授兼职,预计两年内可以做出超过10个量子比特的原型机。由于英特尔公司在硅基系统中有长久的积累,所以他们对此系统很有兴趣,这几年也投入了很多资源。

最近这一两个月IBM与谷歌都贴出了自己的量子计算机路线图。谷歌预计5年做出超过一千个量子比特的量子计算机,到2030年,做出超过一百万量子比特的,通用可容错的量子计算机。

IBM量子计算机研发路线图

上图展示的IBM的路线图,他们更加激进,预计3年做出超过1000个量子比特的量子计算机,

作为量子计算的创业公司,IonQ选择了离子阱作为技术路线,他们最近发布的量子计算机包含32个量子比特,逻辑门保真度很高,量子体积超过百万。而一年前,他们发布的量子计算机还只包含11个量子比特。一年提升3倍,这个发展速度还是很惊人的!根据IonQ公司CEO的说法,他们会每年让量子比特的数目翻一倍。这样到了2025年,离子阱量子计算机也可以达到1000个量子比特了。虽然这个新闻中没有包含技术细节,但是在9月24日,arXiv上预印本的论文中,Monroe组用13个离子阱的量子计算机演示了量子纠错算法。这个实验平台与IonQ公司用到的技术应该是大体相似的。离子阱量子计算机与超导量子计算机不同的地方在于,允许实现非紧邻的量子逻辑门,这可以极大的降低算法的复杂性。

综合各方消息,大概可以确认的是,到了2025年前后,我们可以做出一个量子比特数在1000个量级,两量子比特的量子逻辑门保真度99.7%的量子计算机。量子纠错和量子容错操作应该可以在此平台上得到演示与证明。而基于量子计算的一些初步的应用,也许就可以在此系统中得到演示或者验证。在通往容错量子计算的漫漫征途中,超导量子计算机、离子阱量子计算机、硅基量子点量子计算机等各种系统会相互竞争,共同促进量子计算机的快速发展。乐观点估计,在2030年后,人们也许真能做出100万个物理量子比特的量子计算机。

我儿子正在念小学,等他大学毕业开始工作,也许量子计算机程序员会成为他们那个时代最紧俏和吃香的职业。意识到这一点,我今天早饭时特意问了问他:以后想做量子计算程序员么?他表示完全听不懂,他以后的理想是做一名外科医生。好吧,外科医生也很不错,老铁没毛病!

下一代网络 量子互联网


首发《北京科技报

自从1969年互联网发明以来,它已经彻底地改变了人类的生活和社会形态。今后几年随着5G网络技术的逐步普及,我们将会进入万物互联的新时代。很多人都很好奇,5G之后新一代的互联网技术会是什么样呢?是6G、7G网络,还是什么别的么?

今年2月,美国白宫国家量子协调办公室发布了美国政府的量子网络战略展望,7月底,美国能源部发布了美国量子互联网的蓝图。今年5月,欧盟也发布了自身的量子互联网战略愿景。“量子互联网”成为了科技媒体上热门的词汇。这么多国家的政府都不约而同的对量子互联网产生了浓厚的兴趣,量子网络很可能会是下一代网络技术的关键。那什么是量子互联网?请让我从头说起。

量子互联网包含两个关键词:“量子”与“互联网”。量子在这里指的是量子物理特有的规律。量子物理学是从20世纪初发展起来的一门学问。量子物理理论一经创立,就成功地解释了原子发光光谱等问题,进而帮助人们深刻地理解了微观世界物质运动的规律。只有掌握了这些规律,人们才能发明晶体管、半导体芯片以及大规模集成电路技术,用于制造功能越来越强大的电子计算机;基于量子物理,人们发明了激光并用于光纤通信,从而实现全球互联网。总之,量子物理学不仅是信息时代的基础,也是全球互联网的基础。

互联网出现四十多年,其容量、速度和广度一直在迅猛发展。最开始互联网的速度太慢,只适合传输文字信息,后来图片,语音,视频等都能通过网络便捷地分享。今天通过移动互联网,我们可以随时随地的拍摄一段视频,并发布在网上。互联网技术极大地提升人们的生活品质和社会的运行效率,但不可避免地也带来了很多新的问题,比如网络时代的信息安全问题,身份认证问题等。解决这些问题的通行办法是密码学家发明的公共密钥协议。1994年,能够高效破解RSA公共密钥协议的Shor量子算法发明后,公共密钥协议的安全性开始被动摇。幸好,1984年人们就发明了基于量子物理的BB84密码协议,它的安全性完全由量子物理的基本特性所保证,不会被量子计算所攻破:量子的矛正好被量子的盾抵挡。

由BB84协议发展而来的量子保密通信技术,在过去的三十多年中得到了迅猛发展。最近十年,中国人在这项技术的发展中发挥了重要作用,比如墨子号量子卫星发射成功,京沪量子通信干线的建设等,都极大地直接推动了量子保密通信的应用落地,与现有的互联网结合起来,保障用户的信息安全。

既然量子物理与密码学融合而来的量子保密通信技术,可极大地提升互联网的信息安全。很自然的,我们会想,如果用量子技术对互联网进行整体的升级,实现全量子的互联网,也许就能做更多传统互联网做不了的事情。

那量子互联网到底能做什么事情呢?首先,它可以用来传递量子信息。量子信息的基本单元是量子比特,如同经典量子比特那样,它也有0和1两个状态,但同时遵循量子的规律,可以处于0和1的量子叠加态。最神奇的是,相聚遥远的量子比特之间,还可以处于量子纠缠态。量子互联网的基础是量子隐形传态(Quantum Teleportation)技术:它基于量子物理基本原理,利用量子纠缠作为资源和经典通信的辅助,不用移动承载量子信息的物质实体(比如说光子),就能实现相聚遥远的两点之间的量子信息的传递。由此可以预计,未来的量子互联网运行时,也离不开经典信息网络的辅助,量子互联网与经典互联网是并行不悖的。

其次,利用量子网络还有望实现全新的传感技术,在军事国防上有重大的应用潜力。在量子互联网上,利用相互纠缠的量子网络节点,能够带来传感灵敏度的极大提升,超越经典测量理论的极限。基于量子网络可以实现更加精准的全球时钟标准,使得网络中不同节点间时钟同步更加稳定,各个节点时钟的误差可以被实时测定并修正。利用量子纠缠作为资源,所实现的全球量子时钟基准将会出现颠覆性的提升。不仅如此,基于量子网络的时钟基准,具有很高的安全性,能探测敌人对网络节点的攻击。利用量子网络所实现的时间基准一旦用于北斗全球定位系统,将会极大的提升其授时、定位精度与安全性。我相信利用量子网络实现全新的传感方式将会是未来量子互联网的重要应用。

建造量子互联网的终极目标是实现分布式量子计算网络。尽管量子计算机已经展现出超越经典计算机的能力,但是每个节点量子计算机能力始终是有限的,如果能用量子互联网连接不同的量子计算节点,可以形成庞大的分布式量子计算机,极大地增加量子计算的能力。为了实现可靠的分布式量子计算,关键是在量子网络上实现量子纠错。总的来说,量子网络在量子计算上的应用,目前还是着眼于基础研究。

要实现大规模的量子网络,进而实现全球量子互联网和分布式量子计算,要解决的关键技术瓶颈是量子纠缠的长距离分发问题。我们都知道,量子纠缠一般是很脆弱的,如果把处于量子纠缠态的一对光子通过光纤朝两个方向传输,量子纠缠很快就会随着光子的泄露而完全丢失。为此,人们正在发展可以蒸馏和放大量子纠缠的技术,我们把它称为量子中继器。量子网络终极的应用是实现分布式量子计算网络。通常量子计算机中量子信息存储在微波波段,而要连接相聚遥远的量子计算机,需要我们实现量子信息在微波与光学波段之间的高效转化,以及量子信息在网络节点上的长时间存储。总的来说,要实现全量子网络,所需要突破的技术包括量子连接器、量子中继器、量子存储器等。

l 量子连接器:可以实现量子信息在微波与光学波段光子之间的高效转化

l 量子中继器:可以实现网络节点之间量子纠缠的放大

l 量子存储器:可以长时间的存储量子信息

人们已经实现微波光子与光学光子的转化,但仅限于经典信号,单量子水平的高效转化还在研发中。要实现真正的量子连接器,目前主要问题在于转化效率不够高,以及转化时噪声太大。据我估计,5年内此技术应该可突破到单量子水准。实现量子中继器的关键是量子纠缠分发。目前已实现相距几十公里,通过光纤连接的两个节点之间的量子纠缠分发(由中科大潘建伟团队完成),纠缠放大的技术指标只差临门一脚,就能迈向实用的量子中继器。人们已经实现小时量级的量子存储器,但需要超低温环境,且无法对错误进行纠正。人们正在研发室温下的长寿命量子存储器,并利用量子纠错技术纠正存储中出现的错误。

虽然通向量子互联网的道路上还存在很多障碍,但目前揭示出的量子互联网的功能,已经让人们神往不已。我相信,随着技术的发展,量子互联网的雏形将很快会出现,它将帮助人们深入地挖掘量子互联网的能力与功能,量子互联网更多颠覆性的应用,也许会不断涌现。

验证时间离散性的实验方案


最近读了一篇很有趣的论文,探讨了在实验上验证时间离散的可能性。我们知道,根据量子力学,可以定义所谓的普朗克尺度和普朗克时间,普朗克尺度大概在 [公式] 米,而普朗克时间为 [公式] 秒。人们普遍相信,无法实现小于普朗克尺度与普朗克时间的测量。很自然的一个问题是,趋近于普朗克时间时,时间的流逝仍旧时连续的么?是否从连续的变化,过渡到离散的时间行为?如果普朗克时间真的是最小的时间单位,那么我们能否用实验来验证普朗克时间尺度的离散性?这篇论文讨论的就是这个问题。

时间离散性的验证实验示意图

他们分析了最近的制备金刚石宏观量子叠加和物质波干涉的实验方案,如上图所示:包含有金刚石NV中心的金刚石颗粒,被光阱囚禁起来,施加梯度磁场,实现内部电子自旋与外部质心运动的耦合,从而实现物质波的叠加态制备。我们再用制备叠加态的逆过程,让物质波叠加态恢复原状,在金刚石NV中心电子自旋的内态之间的相对相位,就包含了这个物质波干涩的信息。物质波干涉时,如果考虑重力的影响,可以影响物质波干涉的干涉相位,从而实现对重力的测量。其精度有望超过10^-10 g,在探矿等领域有重要应用。

如果忽略重力的影响,考虑在纳米金刚石附近有一个相对大质量的物体,质量M,纳米金刚石处于叠加态时,由于万有引力,会导致这二者之间的量子纠缠。处于叠加态的两支金刚石波函数之间固有时之间的差别,也会导致最终电子自旋之间的相对相位差,这个相位差为 [公式] ,这里 d是物质波叠加态的距离,l是纳米金刚石与大质量物体之间的距离。他们经过推导发现相位差与普朗克质量也有联系如下

[公式]

这里 [公式] kg 是普朗克质量。如果我们假设 [公式] ,是普朗克时间的整数倍,那么相位差也就会出现如下的台阶状的变化行为,并可以反映到NV中心的自旋布局数上。

这里的 [公式] 。

根据他们的估算,要实现这个实验,悬浮金刚石的尺寸要尽量的大,在10微米量级。要实现对相位的精准测量,需要长时间的累计数据,以年作为单位。考虑到噪声和实验不完备性之后,也仍旧有可能在实验中看到台阶的数据。

这种用精密测量技术探索物理学边界的思路,值得进一步发扬。量子精密测量技术的进一步发展,有一天也许会给我们打开新物理的大门!

悬浮时间晶体


我从2010年开始悬浮光力学的研究。2011年初,发表了第一篇这个方向的理论工作。2011年底,合作者李统藏建议研究带电粒子在环形光势阱中量子基态附近的稳恒运动。不久,我们发现诺贝尔物理奖获得者Frank Wilczek 教授在预印本网站上贴出了量子时间晶体的论文,与我们正在研究的问题很相似。仔细研究后我们发现,环形势阱中纳米粒子的量子基态对应的温度太低,实验无法实现。于是我们调整了模型,基于离子阱的提出了离子晶体基态附近的量子时空晶体理论,同时预言了时间准晶体的存在。我非常喜欢这个工作,专门写了科普文章介绍。

量子时间晶体的概念出现后,很快引发了巨大的争议。有人发表论文认为,在热力学极限下,基态附近的量子时间晶体是无法出现的。为了避开这些争议,人们又提出了离散时间晶体,此效应2017年已在实验中实现。不过很可惜,它不是系统的基态,只是周期性驱动下非平衡态的时间平移对称性自发破缺。即便如此,这仍旧让人们对实现原始定义的时间晶体有了更多信心,而且开始利用时间晶体提升计时精度。

加州大学伯克利分校的一个离子阱实验组对我们的量子时空晶体理论产生了兴趣,并申请经费开始做实验。过去几年,他们一直在参照理论搭建新的环形离子阱实验平台做实验。直到2017年他们才发表了此实验平台上的第一篇PRL,在2019年他们又做出另一个有趣的实验结果。这才是真正沉下心来做研究的例子。我们的理论工作发表后半年就被人质疑,我们答复质疑的文章都无法顺利发表,这让我们很受打击。而伯克利的这位教授不在乎外界质疑,只遵循内心,相信它有意思,值得研究,就一直坚持下来。

这对我触动也很大。面对质疑,我们一度也有些不知所措,只得回去专注研究光悬浮纳米粒子系统的宏观量子物理现象。直到2017年有实验实现离散时间晶体,以及伯克利这位教授组的实验,让我们重新回到这个领域。我们继续沿着最初的思路做下去,而不是随大流去做周期性驱动下的时间平移对称性自发破缺。我与西安交大的本科生黄奕和普渡大学的李统藏教授合作,很快发现某个精确可解的多体自旋模型的基态存在时间准晶体现象。这两年有实验与理论研究验证了时间准晶体,我们的两个理论工作均被引用。只要沉下心来,扎扎实实的做工作,就能获得收获。

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有效时间晶体的西西弗斯运动

在2012年,除了量子时间晶体,Wilczek与Shapere教授也提出了经典时间晶体模型。但很可惜,此模型中处于时间晶体相的基态是能谱的奇异点。只是一个玩具模型,物理上很难实现。后继在此方向的研究并不多,大都瞄准宇宙学或者广义相对论,其中动力学拉氏量的基态有可能存在奇异点。但人们最关心的还是如何在实验室中验证理论。

Wilczek 教授顺着自己的思路继续做下去,一直在尝试改进此模型。他与Shapere研究了在平面上运动的带电粒子,在特定的磁场分布下,随着粒子质量很小,其某个方向的运动可以被绝热消去,从而得到另外一个方向上运动的有效拉氏量,它具有与经典时间晶体拉氏量完全一样的形式。他们发现,这个带电粒子在基态附近,任意小扰动,就可以进入所谓的西西弗斯运动,如上图所示。但仔细分析他们的结果可以看出来,这个西西弗斯运动的振幅与周期都依赖于初始扰动,如果扰动趋近于无穷小,振幅也是无穷小。由于这个模型运动周期对初始条件的依赖性,是无法用来作为时钟计时的。即使初始运动条件确定,西西弗斯运动的周期也没有完全定下来,存在随机的涨落,与具有确定周期的时间晶体不同。总之,虽然得到了有效时间晶体的拉氏量,这个系统的运动行为仍旧与真正意义上的时间晶体有很大差别。不仅如此,Wilczek 与 Shapere的理论假定粒子沿着空间某维度运动时的质量参数为零,而另一个维度的质量不为零,这也很难在实验中实现。

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时间晶体的准稳态双势阱与真正基态势能曲线

黄奕跟我合作完成了有关时间准晶体的理论研究后,2018年春天继续跟我做与时间晶体相关的本科毕业设计。我们一直在关注时间晶体的研究进展,所以仔细分析了Wilczek等人的论文,希望能够找到物理实现方法。经过多种尝试后,我们又回到了熟悉的悬浮纳米粒子系统,考虑一个带电的非球形纳米晶体,用激光或者离子阱悬浮在真空中,纳米粒子的三维质心运动与两维转动都被束缚住,只留下一个转动自由度未被囚禁。在低温下,我们忽略平动自由度的影响,只考虑转动。如果再加上均匀磁场,系统的两个被囚禁的转动自由度(也就是摆动模)与一个转动自由度相互耦合。我们从理论上证明了,在强磁场或高荷质比极限下,可以消去两个摆动自由度,此时系统原来静止不动的转动基态将会退化为非稳态,持续转动的时间晶体态与基态之间的能隙会趋近于零。只需要无穷小的扰动,就可以让它进入绕着囚禁指向持续转动的稳态。换句话说,此时系统的基态将会自发的破缺时间平移对称性,呈现出时间晶体的特性。处于时间晶体态时,如上图所示,系统的有效势能曲线类似于一个墨西哥帽子,与我们讨论规范对称性自发破缺时的情形很类似。

此有效模型自发破缺基态的时间平移对称性之后的运动速度是确定的,并具备与初始条件无关的运动周期。而Wilczek的有效模型破缺基态的时间平移对称性后,其西西弗斯运动速度存在突变(数学上的奇异性),运动周期依赖于初始条件。相比而言,我们的模型,不仅避免了原始经典时间晶体模型基态能谱的奇异性,也避开了Wilczek等人所提出的有效模型中运动速度的奇异性和运动周期对初始条件的敏感依赖性,具有非常好的数学性质。

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带耗散阻尼的系统运动

在实际实验中,我们只能让磁场或者电子密度尽可能的大,真正的无穷大是不可能达到的。此时时间晶体态是一个准稳态,与真正的基态之间还存在很小的能隙。为了确定理论的可靠性,我们用实验可行的参数进行了数值计算,发现理论结果与数值分析是一致的。在经典基态附近,只需要微小的扰动就可以让它进入时间晶体态,此时间晶体态运动与钟表的秒针特别像,可以用于计时。我们还发现,即使系统能量存在耗散,处于经典时间晶体态的转动角速度也不会下降,只有当能量耗尽时转动会突然停止,如上图所示。

我们也计算了有限温下的运动行为,发现经典时间晶体的相图为:零温下,系统被冻结,不存在时间晶体;有限温度下,出现时间晶体行为;温度继续上升,时间晶体熔化。我们用实验中的参数进行估算,时间晶体需要的温度在10mK量级,这可以通过激光反馈冷却而实现。在有限温度下,系统虽然没有破缺时间反演对称性,但是时间平移对称性能被破缺。此时转动的角速率基本确定,即角速率的方差小于角速率。而转动方向可以随机的在顺时针与逆时针之间变化。这个只破缺时间平移对称性的经典系统,可以被称为经典时间晶体,或者说是具有两种转动方向,但是时间上周期一定的 “时间多晶”。

在此基础上,我们把系统的哈密顿量量子化,求解其本征值和本征态。我们发现,系统的能谱有两个量子数 n 和 l ,其中 n 对应于时间晶体转动自由度的能级, l 对应于被绝热消去的摆动模的量子数。当l 很大时,n 的基态具有非零的机械角动量,与经典的预言一致。 l 趋近于0时,时间晶体角动量的平均值也会趋近于零,时间晶体现象消失。但是我们发现在非零的磁通下,量子涨落也可能破缺时间平移对称性,使得量子基态存在有非零的转动,或者说量子时间晶体。此时磁通先破缺系统的时间反演对称性,然后时间平移对称性也随之破缺。由此可见,我们的模型可以同时支持经典时间晶体与量子时间晶体

回顾这些年我们在时间晶体领域做的研究,离不开悬浮带电荷的系统。从最早的环形光势阱中纳米粒子的基态稳恒转动,到提出离子阱中悬浮的量子时空晶体、时间准晶体,再到如今回到悬浮带电纳米粒子,发现其自传呈现经典时间晶体与量子时间晶体,乃至时间多晶的行为。就像时间晶体那样,我们的研究也是一个循环。

黄奕2018年本科毕业后来去了美国明尼苏达大学(UMN)念博士。我们继续合作,终于完成了这个工作。在英国伯明翰大学念研究生的熊安达,以及西安交大的本科生郭启淏参与了模型非线性动力学和量子基态的分析与数值工作。此研究也是我与美国普度大学的李统藏教授长期合作的悬浮光力学和时间晶体的延续。在论文撰写过程中,他深度参与了实验的可行性分析。

后记:还记得2012年上半年,我们开始研究量子时空晶体时,妻子正怀孕。所以我把那篇《时间晶体,把爱保存到宇宙尽头之后》的科普文章献给了她。这篇科普文章我要献给8岁的儿子,2012年,他与量子时空晶体论文一同诞生,一直都对“转转转”的东西特别关注,看来他对”时间晶体“有天生的兴趣。愿他永远保持好奇心,追求自己的梦想。最后,在论文快要完成时,碰到了肆虐全国的新型冠状病毒肺炎,我们不得不关在家中,以写论文的方式,度过了这个春节,同时也让我们能从疫情带来的焦灼感中解脱出来。

论文链接:Yi Huang, Qihao Guo, Anda Xiong, Tongcang Li, Zhang-qi Yin*, “Time crystal based on a levitated charged nanoparticle”, arXiv:2001.10187.

有关转专业


大学时转专业之所以重要,因为这涉及到自我期许与追求的确立。本质上,每个人的未来,都是自身创造的。成绩和错误,欢喜与悲伤,都与每个人的一点一滴的行为有关。而这些一点一滴的行为,其实都是内在的性格习惯以及内心对未来的期许塑造而成的。

所以,树立一个远大的梦想,是最重要的第一步。这个梦想必须是自己全身心要去追寻的,不是他人或者社会强加的。这个梦想能一直坚持下去,最终肯定能在某种程度上实现。有关转专业。

转专业不容易,转了之后,也可能会后悔。关键不在于专业的学习难度,在于专业与你的匹配程度,以及未来的职业发展。最好的专业,是你愿意花时间钻研的专业,是能够给你带来个人能力提升,同时未来职业上也有很多机会的:不管是工业界的机会,还是学术界的机会,都应该比较多。

专业只是手段和工具,我们需要用这个来追求自己想要过的生活,实现人生的价值。我们其实一直都在追寻人生的方向。学习某个专业,或者转换专业,以及以后的找工作,换工作,等等都是追寻的过程。某种程度上,这个追求的过程是无止境的。

当然,某些时间节点的选择可能比较关键,对未来的发展会有很大的影响。但是长久而言,真正影响你的人生道路的,是你的性格,内线的追求等这些内在的个人修为。

所以,不管选择是怎么样?一旦决定了,就不要轻易后悔。往下走下去,利用选择带来的机会,磨练自己,提升自己,直到遇到下一个机会,让自己人生进入下一个境界

有关本科生做科研的问与答


最近我开始做大学生创新项目的指导教师。给学生们进行辅导时,从手机备忘录上看到这个今年初写的有关本科生科研的问与答。稍加修改,分享给大家。

问:您已经带本科生做科研多长时间了呢?一般会指派给这些本科生什么任务呢?他们完成的如何?

答:我从2013年底开始带本科生从事科研,到现在已经六年了,已经指导十余位本科生开展科研。一开始,我会给一个基本成型的想法,让本科生去实施完成。比如说,把简短的会议论文补充细节,写成期刊论文投稿发表。或者我做过初步验证后确定可行的想法。学生们大都可以顺利的完成这些任务。当他们完成了这个比较直接的工作后,我会鼓动他们做一些探索性的工作。由于本科生的经验和时间有限,探索性的研究不是很容易出成绩,所以只有当本科生已经有了一些研究成果,在科研上有了自信与初步经验后,我才会鼓励他们去进一步探索。

问:您认为本科生在团队中充当的是个什么角色呢?

答:本科生完全可以独当一面,开展创造性的科研。我指导的本科生,很多都成为了我们组研究的主力。在毕业之前,能以第一作者的身份,在主流的学术刊物上发表多篇学术论文。个别有天赋的学生,还能够主动提出新的研究方向,做出意料之外极有创造性的工作,这尤为难得。我有几篇代表性论文,就是与本科生合作完成的。

问:您和学生平时交流的过程中,有没有本科生跟您反映他们科研上遇到的障碍,比如觉得自己水平不够、知识储备不够、资源少和老师沟通不顺利等等,他们的这种困扰和障碍您有所了解嘛?如果您在实际中遇到过是如何解决的呢?有没有哪位同学的故事让您印象比较深刻的或者学生有没有跟您吐槽过什么?

答:本科生觉得自己知识储备不够是正常的。我会给他们提供协助,告诉他们去阅读必要的文献,上相关的研究生课程。如果仍旧有问题,我可以针对性的给他们答疑解惑。我曾经带过一位本科生,她大二就来找我,当时她还缺乏必要的理论知识,但是有很大的热情。我建议她自学课程,然后去念相关的学术论文。她很自律,每两周跟我讨论交流学习进度和疑问,进步非常快。经过一年多学习,她掌握了相关知识,学习了必要的编程技术,重复了一些文献结果。然后在大三下学期到大四毕业这一年多,跟我合作完成了三篇论文。她毕业后也拿到了欧美一流名校的奖学金去念博士。

问:您认为学生在本科阶段参与科研的障碍和问题在哪里?

答:主要障碍是如何协调学习与科研的关系。本科生学业负担比较重,科研需要的投入很大,这二者是需要平衡的。本科生参与科研的常见问题在于不够专注,更换研究课题频繁,浅尝辄止,积累不深,不利于长久的发展。本科学生对未来的研究兴趣并未确定,更换研究课题是很正常的。但如果经常换研究方向或指导老师,对学生来说是时间与精力上的浪费。本科生做科研还存在自信心不足,妄自菲薄等问题。这就需要导师经常针对性的鼓励他们。

问:您对本科生参与科研是什么态度呢?

答:完全赞同,坚决支持。在课内学业不掉档的基础上,去主动的参与前沿的科研课题,对于本科生的成长是很有好处的。从探索的精神与自学能力,到团队合作的能力,以及承受挫折与失败的意志力等多方面都是极好的。

问:对于他们所认为的障碍和困难,您认为有什么解决的办法和建议吗?

答:本科生参与科研的问题,可以在本科生入学教育阶段加强相关的教育指导。比如说,在大一时设立课程与讲座,由导师们介绍他们的研究方向,鼓励本科生与导师联系沟通。还可以由高年级的学长或者研究生做讲座交流经验与教训,帮助本科生们尽快的解决科研上遇到的困难与问题。最重要的是,要通过这些教育,让学生们树立解决困难的信心。

技术与科学的交汇


前两天我听了人民大学重阳研究院贾晋京研究员做的报告。他提到,技术与科学的源头是不一样的。技术是为了解决实际问题,由工匠发展出来的,而科学是从古希腊的自然哲学中发源的。这二者的交汇,在十九世纪中叶。

实际上,物理学在那时候,也出现了科学与技术的合流。法国工程师卡诺为了做出更加高动力的热机,给出了热机效率极限,宣告了热力学的诞生。物理系四大力学,我总觉得热力学与统计物理是异类,从数学形式和体系上,远不如理论力学那么漂亮,因为根源就不一样。尽管如此,从研究纯粹自然物的规律到研究人造物工具的基本规律,代表了科学与技术的深度融合,是人类文明史上光辉的会师。

对天文、气象和地理等自然现象规律的研究促成了古希腊原始科学的发展。而牛顿研究天体运行,提出的万有引力是经典自然科学发展的巅峰。由此建立的科学目标是寻找自然规律,所建立的理论特别纯粹,特别系统。 不过牛顿同时也是光学的创始人。他为了研究天体运动,发明了牛顿天文望远镜。对光学的研究,离不开光学仪器的进步,这时技术已经深入地影响科学了。

从热力学开始,人们研究的其实是一个人造物的本质规律,比如说热机的效率极限。通过人造物,推广到现实中的一些自然规律,比如说能量转化与守恒定律,乃至把人这样的生物体看成一个热机。通过热力学的研究,到十九世纪下半叶,克劳修斯又提出了熵的概念,影响遍及自然科学与社会科学多个领域。做热机研究,为的是做出更好的机器,离不开搞技术的工程师。所以他们创立的这套热学理论,看起来就是显得很粗犷。

瓦特发明的蒸汽机,物理学家把它抽象为热机,是第一次工业革命的代表,第二次工业革命的代表成就是电力与电动机。蒸汽机,电动机都是用于代替人的体力劳动的,涉及能量的转换。既然热机可以代替人的体力劳动,逻辑上很自然的,接下来就是发明创造代替人脑力劳动的机器。以电脑、互联网的发明和大规模应用为标志,我们找到了这个机器,开始了信息产业技术革命。与热机不同,计算机直接涉及熵的转化。当然,热机做功也伴随着墒的变化。

当今时代,计算机与互联网是正在深刻改变社会的技术。对算法复杂性,信息安全等等这些基本理论的研究,其实也是对计算机和网络系统这个人造物的最深层规律的分析。而这些分析都离不开熵这个深刻的概念,从热机到计算机一脉相承。正如对热机的深刻研究导致人们提出热力学第二定律以及能量的转化与守恒那样,对计算机的研究,也反哺了热力学乃至黑洞的理论。做这个角度来说,我预计理论计算机科学中有关计算本质和算法复杂性的那部分内容,与热力学和统计物理学一样,将会成为理论物理专业的必修课之一。

最后一个有趣的问题:既然都涉及到墒变换,那么热机做功,能被看成是信息处理的过程么?我们能不能用热机来实现计算机的某种功能?

新的工作


最近,我拿到了北京理工大学物理学院量子技术研究中心的准聘教授职位,于暑假正式入职。很感激在清华工作的这七年,让我有机会能接触到那么多杰出的同事、学生,跟他们学到了很多。到北京理工大学量子技术中心工作后,我会继续在量子光学与量子信息领域开展理论与实验结合的研究,并开始招硕士生、博士生和博士后。博士生津贴每月四千元,博士后年薪18万到40万。欢迎对此有兴趣的发电子邮件联系我: zqyin@bit.edu.cn 。

我的研究兴趣包括光力学和量子信息科学等,已在Nat. Phys.、Phys. Rev. Lett.、Phy. Rev. A、Science Bulletin 等学术刊物上发表论文五十余篇。据Google Scholar等检索,截止 2019年6月其论文已被引用1967次,论文 h 指数为22,6篇论文引用超过100次,其中单篇最高引用超过230次,被中国科学技术信息研究所评为“2007年中国百篇最具影响力国际学术论文 ”。曾获2015年陕西省科学技术一等奖(第六完成人),《Science Bulletin》2017年度高影响力论文奖,西安交通大学优秀博士论文奖等。

有许多研究工作得到国内外媒体的高度关注2012 年,与人合作提出用囚禁离子实现一种新的“时空晶体”的实验方案。论文发表在 Phys. Rev. Lett 上 ,并被选为封面文章和编辑推荐 。论文发表后得到麻省理工学院的 Technology Review Nature 、Physics World New Scientists科学美国人 等国际科学媒体的广泛关注和报道,论文的Altmetric指数141。2015年,与人合作提出了制备细菌的量子叠加态、量子纠缠态和实现细菌之间量子隐形传态的实验方案,得到了英国《卫报》、《PhysicsWorld》,和中国的《科技日报》、《参考消息》等媒体的广泛报道,并被收录于福布斯发表《宇宙的十大量子现实》,论文Altmetric指数251。2018年,在IBM量子云计算平台上首次实现了16个量子比特的完全纠缠,被数十家国外媒体报道,论文Altmetric指数434

北京理工大学量子技术研究中心成立于2016年12月28日,中心依托于物理学院,接受交叉研究院领导。中心在葛墨林院士的组织与指导下成立运行。中心成立的目标是将量子物理的前沿理论与压缩感知等先进技术紧密结合,以量子技术在微弱信号探测、蛋白质分析、国防等方面的应用为核心搭建研究平台。

北京理工大学创立于1940年,前身是延安自然科学院,是中国共产党创办的第一所理工科大学,是新中国成立以来国家历批次重点建设的高校,首批进入国家“211工程”、“985工程”和“双一流”建设高校行列。现隶属于工业和信息化部。

从质量标准说起


有人说,二十一世纪初的物理学与二十世纪初的物理学比,有三个新东西:量子力学,精密测量与学科交叉。其实精密测量技术一直都有,为什么到了二十世纪末、二十一世纪初,这个技术会得到如此大的发展?我认为根本原因在于工业社会运行的底层逻辑是标准化,而标准化的基础就是精密测量。社会发展的巨大需求催生了人们对精密测量长期不懈的追求。

前不久,国际质量的标准由物质实体,变为非实体的普朗克常数来定义,这是一个影响全球社会底层运作的重大事件。从应用层面来看,新的标准千克可以用基布尔(Kibble)秤来称量。这是一种电学中的量子精密测量仪器,与三十到四十多年前约瑟夫森效应(用于测量电压)和量子霍尔效应(用于标度电阻)的发现密不可分。这两个效应都获得了诺贝尔物理奖,并最终让我们能把质量定义与普朗克常数的数值联系起来。

其实在质量标准变化之前,对时间与长度的定义也都从19世纪的标准变为基于20世纪科技革命的新标准。正是有了对时间与空间的精准定义,到了网络信息化时代,利用全球卫星定位系统,我们才能实现对每个人自身时间与空间的精密测量与定位,进而催生了移动互联网,才能有微信,美团等APP。到了如今智能化和物联网的时代,对于精密测量技术更是提出了新的需求:以百亿、千亿计的物联网设备都需要精准的授时与定位,并在此基础上实现高效的信息交互。

另外一方面,从基础的物理学本身来看,随着粒子物理标准模型的建立和完善,人们开始跳出还原论的桎梏,认为万物理论的本源来自相互之间的关系,层展理论有越来越多的信徒,与之相配套的数学上的范畴论也有很大的发展。从这个角度出发,用精密测量技术,能精准的揭示物理系统之间的相互作用(关系),是天然的与层展理论相互配合的手段。最基础和前沿的理论物理学,与自然哲学关系密切。理论物理要往哪个方向发展,离不开哲学观念的指引,更是要与我们目前所掌握的最尖端的技术工具互相配合。

所以,未来不论是从信息化、智能化社会的底层标准化逻辑出发,还是从揭示物理学基本规律的需求出发,精密测量技术都会越来越重要,辐射面越来越广。

陪儿子看纪录片


过年放假了,我儿子又嚷嚷着要看湖南卫视去年曾经播出的纪录片《生机无限》,而且点名要看脑瘤手术,脊柱矫正手术,心脏手术等让人心理产生不适的大型手术。不得已,我从网上搜到了视频,又陪着他看了一遍。

去年四月,他第一次看到这个纪录片之后不久,就偷偷告诉我,他的梦想是要做医生,而且是外科医生,最好是心脏外科或者神经外科医生。当时他还不满六岁。我心说不好,子承父业的梦想要破灭了。早知道他这么早就开始思考未来的梦想,我就应该给他看炫酷物理学家的纪录片的(好像并不存在这种纪录片)。回忆起我第一次明确自己的职业梦想,似乎是初中时,当时想当地质学家。这小子还没有念小学就嚷嚷着要做外科医生了。我只能自我安慰,小孩的思想多变,可能一段时间后,就变化了。

没想到,一年过去了,他居然越来越坚定了。天天在家用乐宝积木拼外科手术室,成天问我,要做外科医生,需要做什么,学什么。我只能告诉他,首先要学会自己扣扣子、解扣子,穿衣服鞋子,然后才能学拿手术刀。还要学好数学,特别是空间几何,然后才能学会骨科医生的脊柱矫正手术,从合适的角度钉矫正钉子。然后顺势给他报了一门小学奥数培训。小家伙虽然曾考过2.5分(满分100),但这样的打击也没有磨掉他的斗志。

儿子遗传了我笨拙的动手能力,却偏偏立下了做外科手术医生的志愿,这条路可难走啊!