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。