英才教育需要结合科研的超前学习


我与张捷兄认识很久了,他是名门后代,祖父张文佑,外祖父赵九章,父亲张肇西都是中科院院士。张捷兄中科大物理系毕业,后来从事过核物理、半导体集成电路、律师、房地产投资、文化传媒等行业,堪称传奇。他有一儿一女,比我的儿子大几岁。我们聊天时,经常涉及到了家庭教育,张捷兄的育儿经验让我受益良多。最近听说他要把这些经验与理念写成一本书,去影响更多的人,这真是非常好的事情!

在我看来,他的育儿理念远远超越了家庭教育的范畴,而与家国天下联系在一起。从大的方面来说,国与国之间的教育竞争,某种程度上,也是在拼娃,比拼的就是国家下一代人才的厚度和高度。教育有很多个层次:义务教育、普及教育、超长教育和高等教育等等。不同的层次,有不同的目标。国与国之间的教育竞争,义务教育是基石,而高等教育则是核心。到了高等教育阶段,教育与科技创新是融为一体的,一流的高等教育,能够让潜在的人才脱颖而出,发挥出最大的能力。而一流人才把创造力发挥出来后,会极大的提升所在国家的科技实力,在国际竞争中占得先机。

过去4年,我担任了清华大学计算机科学实验班“姚班”2013级的班主任。清华大学计算机科学实验班是计算机研究领域最高奖图灵奖获得者姚期智院士2004年回国后在清华大学工作后创办的,目的是改革中国计算机高等教育的培养模式,探索培养计算机领域的顶尖人才。从姚班创办之初,就吸引到了中国最好的计算机与信息科学方面的天才学生。结合我的姚班班主任的工作经验,我极为认同张捷兄的一个观念,那就是教育要发挥人的特长,对于自身感兴趣与有特长的领域,要超前学习,才有希望取得超越前人的成就。

作为班主任,我与2013级姚班的学生有很多接触与交流,从他们身上看到了无穷的潜力。这些学生最大的特点就是主动地超前学习:大一念大三、大四的专业课,大二念研究生专业课,还拿课程的最高分,是非常普遍的事情。姚班大部分生源都是竞赛生,他们在高中时就自学了很多大学的数学与计算机专业课程。因此,对他们来说,超前学习是从中小学就养成的习惯。正是因为超前学习,使得他们在大二就能开始进行科研训练,参与最前沿的项目。到了大四上学期,班上的同学,大都做出了很好的研究成果。个别突出的人,已经发表了好几篇高水平的论文,并有多篇论文投稿中。据统计,截止大四上学期末,全班三十余名同学,一共发表和投稿的论文已经超过七十篇。

为了能够发挥出姚班学生的潜力,学校还投入了大量资源资助他们去欧美一流的研究机构交流学习。要培养顶级的人才,最好的办法就是去顶级人才那里与他们朝夕相处,向他们学习。这些学生们也不负众望,做出了顶尖的成绩。一位学生去美国麻省理工学院访问时,写了四篇论文,解决了理论计算机领域的一个多年的难题,被麻省理工的指导教授称赞为他所遇到的最出色的学生。

清华大学姚班的创办与实践,证明了中国也能办出一流的计算机本科教育,从而吸引最顶级的学生加入。跟张捷兄聊到教育时,我们都认为,国与国之间的教育竞争是极为激烈的,中国必须要办出一流的教育,否则自身的人才就有可能被国外的教育给吸引出去。实际上,国外的大学已经直接来中国招生,试图挖掘和吸引最优秀的中学生了。如何提升中国高等教育的吸引力,是摆在我们面前的一项难题。

2016年暑假,我作为导师,参加了在清华举行的RSI科学夏令营。这个项目是美国的CEE(Center for Excellence in Education)与清华合办的。CEE在美国与麻省理工学院合作办了很多年的RSI,通过一个半月的夏令营项目,从高中生中选拔出具有自然科学方面的科研创新潜力的人才,并推荐他们可以美国的一流名校念书。从2015年开始,清华大学与CEE合作办中国的RSI。这些入选的学生,将会上一个星期的前沿科学课程,然后在接下来的六周里面,加入清华大学的某个实验室从事科研训练。通过这种经历,可以增长学生的见识,并获得清华大学教授的推荐信,提升他们被美国一流大学录取的概率。

在夏令营期间,有两位高中生跟着我做科研。这两位学生基础和天分有差别,所以类似的研究题目,最终的成绩差很大。其中一位学生在短短的一个月内就做出了有趣的工作,具有非常好的数理科研天分。苏格拉底说过,教育不是灌输,是点燃火焰。我希望能提供更多的帮助,让他们在这短短一个月的科研训练的中能够有所收获,激励自己,找到自己的兴趣,发现自己的潜力。哪怕最终并没有太多进展,但是能在高中时做一些前沿的研究题目,本身就是非常难得的经历。

年轻人要迅速成长,最好能尽早从事有挑战性、需要创造力的工作,即使遇到困难,也不要轻言放弃。发挥创造力解决困难的过程,就是年轻人成长的过程。如果我们去看美国的科研领军人物的简历,会发现其中很多人在中学时就进了实验室,有了科研经历。比如说,Frank Wilczek,麻省理工学院物理系教授,诺贝尔物理奖获得者。50年前,他就参加过西屋青少年科学竞赛(现名为英特尔青少年科学竞赛),拿到了第四名,并去了芝加哥大学念书。22岁时,他就做出了让他获得诺贝尔奖的工作。最近风头正劲的麻省理工学院生物学教授张锋,11岁移民美国,高中时就进了当地某大学的实验室,1999年参加了在麻省理工学院举办的RSI训练营,2000年获得英特尔青少年科技竞赛的的第3名,并被哈佛大学录取。后来他在光遗传学和基因编辑工具CRISPR-Cas9等技术上都做出了杰出的贡献。

从上面可以看出,美国顶尖的科技人才,很多是通过这种针对青少年的选拔计划脱颖而出,得到重点支持,进而在年轻时就做出引领世界科技发展的研究的。中国也有类似的项目,比如说中科大的少年班,北京八中的天才班等。但受限于中国整体的科教实力和发展水平,这方面的探索多年来只能限制在很小的范围内。

近年来,随着中国整体实力的增强,很多高中的教学科研条件也让人刮目相看。跟我做研究的高中生,他们学校就有量子密码的教学实验仪器,供他们学习和钻研。在来清华参加RSI夏令营之前,他对量子信息相关的背景知识,以及一些基本的实验和理论都有了初步的了解,因此才能在短期内在课题上取得很大的进展。据我所知中国能为学生提供探索性研究平台的中学越来越多。比如说人大附中这样的顶级中学,最近招收的老师,都是清华、北大,乃至海归的博士。张捷兄曾与我们讨论过这个现象,他认为只有经过了一流的科学研究训练,才可能给中学生们提供高水平的研究和探索类课程,培养出更高水平的人才。如果以后中国的中学里都能有前沿的设备和高水平的教师,与大学的教育无缝连接,培养出来的学生前途将不可限量。

2017开始了


18年前,1999年,我十七岁,参加高考,遇到了《假如记忆可以移植》这个作文题。当时的我,并没有给出很好的答案。这道题一直留在我心中,有意无意间,我用了十七年对物理学的求索来解这道题,终于在写了一篇量子隐形传输细菌内部状态(记忆)的论文,侧面回答了这道题。这对于我,是一种人生的圆满。

1999年,我十七岁,开始了自己独立的大学生活。离开家门前,与亲戚们一起吃饭,还记得曾经被告诫说不要参加学生运动,要老老实实读书。老一辈人被各种运动搞怕了,可以理解。现实是,这十几年,运动再也没有了,我老老实实地集中精力念书,学习和工作。

政治运动没有了,商业氛围却是越来越多。还记得,那年的跨年夜,我与大学同学们一起去西安城里,钟楼附近北大街上看烟花,参加庆祝活动。直到深夜,最后一班公交车都结束了。我们坐上政府临时征集的公交车,回到了交大北门,然后翻越大门回的学校。千禧年开始了,我也十八岁了。还记得当时各种世界末日的传言,电脑系统也有千年虫的警告。最终证明都是谣言。就这样,甩开了各种谣言和喧嚣,带着对新世界的好奇与野心我开始了自己的成年生活。从十七岁离开家乡,到现在,我在外地的时间已经超过了在家乡生活的时间。这十七年我学习,拿学位,工作,结婚生子,一切都是按部就班。可同时也在四处的漂泊,在很多城市生活过:西安,美国安娜堡,武汉,合肥,北京。我的经历已经远远超出了在家乡那些年。每隔一段时间回到家乡,发现家乡也在缓慢的变化,于是我再也回不去记忆中的家乡了。

十七岁离家,是我的”第二次出生”。从那时候起到现在,2017年,我又一次成年了。2017对于我的意义也就在于此。

人生的际遇啊!


关于对撞机,据说中科院大学吴宝俊有一个“建议”: 建议政府有个长远的眼光,先拿一笔钱出来在北京海淀和西城买几百套学区房囤着。等将来要建对撞机的话,卖二十套出去,钱差不多够了。搞引力波,卖五套出去,钱又够了。量子通讯再发新卫星,卖两套,钱又够了。。。。

人的成就啊,得看聪明才智,可有时候也得败给命运。最近对撞机大讨论,一位知名的华人物理学家戴自海也出马了,回顾了他当年与杨振宁的争论。杨振宁在四十年前,就认为高能物理没有前途,不建议年轻人做这个方向。

戴自海本来是有希望拿诺贝尔物理奖的,暴涨宇宙学的发明本来应该有他的一半贡献。近四十年前,他与阿兰.古斯都是康奈尔大学博士后。受到戴自海的影响,阿兰.古斯对宇宙学感兴趣,进而发展出了暴涨的概念。

就在这个关键的时候,1979年,戴自海回中国待了六周,错过了这篇关键的论文。实际上,戴自海是回国参加由杨振宁李政道等组织的一个会议。后来阿兰 古斯也承认,如果不是戴自海回中国开会,那篇暴涨宇宙学的论文他肯定是合作者。戴自海对错过了暴涨理论也很懊悔。

而阿兰.古斯,MIT物理博士毕业后辗转若干个机构做博士后九年,一直没有找到教职。直到提出暴涨理论后爆得大名,很快回到MIT任副教授,走上人生巅峰,现在已经被看做是物理学诺贝尔奖的有力候选人。

另外还一位因为度假错过诺贝尔物理奖的华人物理学家,徐一鸿(A Zee)。徐一鸿很早就有渐进自由的想法。他计算了除非阿贝尔理论以外的场论的耦合常数,都没有发现渐进自由。算完这些之后,累坏了,就拉着老婆去度假了。而后不久,David.Gross等三人计算了非阿贝尔的情况,并且发现了渐进自由,并且于2004年获得诺奖。

推荐学生的文章


我的学生徐启东刚刚写了一篇文章,介绍他转专业的经历:关于转去物理的二三事 ,强烈推荐!去年徐启东第一次给我发电子邮件,询问我的某篇论文的细节问题,表明了他是英语系自修物理的背景,以及想跟我做点科研训练。我认识一些转行念物理的朋友,但是从纯粹的文科专业转学物理的还没碰到过。只听说过Witten是从历史转物理的,但他父亲是理论物理学教授,研究相对论,家学渊源常人难及。所以读完徐启东的邮件我也有些顾虑。抱着考察他的目的,我回信让他去读我另外一篇相对简单和讨论详细的论文。结果他表现出很强的自学能力,甚至很快就学会了用软件包来进行数值模拟。于是我让他加入了我的研究小组,每周跟我讨论一两次。

他很快进入了科研状态,我很庆幸,没有错过这样一位有天分的学生。学生也许需要老师来指指方向,年轻老师同样需要学生才能成长起来。真正有天分、实力和坚强意志的学生,不难找到欣赏他的老师。徐启东当初选择联系我,也是我的幸运。在他拿到美国常春藤大学物理系的博士研究生offer之后,我就鼓励他把经历写出来,给他人参考,也给自己一个总结。我读完了他的经历,才知道他的成绩的由来。他能够从物理学中发现美,找到自己的学习研究的激情,从事自己真正醉心于的事业,形成正反馈,最终实现了从英语本科生到理论物理博士生的跨越。

年轻的时候,你内心深处自己希望成为什么样的人,如果始终把这份心愿留在心底,那么你就会自觉的去靠拢它,寻找各种机会去改变和提升自己,后来你甚至会发现很多机会自然地就出现了。这样积累十年,二十年之后,你就会慢慢变成自己理想中的那种人。我想,徐启东的经历会激励更多人去追寻、找到并牢牢抓住自己在事业上的梦想与目标。

入选春季科技新锐人物


知社学术圈微信号最近评选了2016年春季科技新锐人物,我有幸入选候选人,第20号,大家可以关注微信公众号之后,去给我投票。(投票已经于18日截止,谢谢)

首次提出活体微生物的量子态叠加,纠缠和隐形传态方案 (Science Bulletin)

入选工作:Quantum superposition, entanglement, and state teleportation of a microorganism on an electromechanical oscillator, Science Bulletin. 61(2), 163-171 (2016). doi: 10.1007/s11434-015-0990-x

尹璋琦, 清华大学交叉信息研究院助理研究员。2003年西安交通大学毕业,2009年获得西安交通大学博士学位。在Science Bulletin发表论文,提出把一个低温冷冻保存的微生物放在一个电机械振子上来实现活体微生物的量子态叠加,纠缠和隐形传态。因为微生物的内部状态包含信息,这个方案能实现两个微生物之间信息和记忆的量子隐形传态,引起国际学术界和新闻媒体的广泛关注和报道。

有关我入选的这个工作,我已经写过一系列文章来介绍,就不赘述了。

我与本科生的合作


更新:孔令航拿到了美国麻省理工学院物理系的博士奖学金,马越拿到了英国帝国理工学院物理系的博士奖学金。最让我骄傲和自豪的是,来自外交学院英语专业的徐启东拿到了美国达特茅斯学院物理系的博士奖学金。达特茅斯学院是美国的常春藤大学之一,具有很高的声誉。

4年前,我博后出站,来清华大学工作。由于职位与职称所限,我并没有招收研究生的权利。幸好,2年多前,有一位本科生孔令航找到我,希望跟我做科研训练,开启了我与本科生合作做研究的历程。与本科生合作,我尽量做到针对各人不同的背景和能力来设计研究课题,他们必须要努力才能学到新知识,然后才可以完成一篇足以发表的论文。

孔令航当时大二,是计算机科学实验班(姚班)的。考虑他的背景,我给了他一篇正在写的有关量子纠错码的文章让他读。 他学得飞快,不久就学懂了,并把文章中的几个待解决的问题搞定了。于是我与合作者商量后,决定与他合作把这个量子纠错码的文章扩展为一篇长文。这个工作去年已经投稿了。孔令航后来大三下学期到暑假在MIT和加拿大滑铁卢大学都访问过,与那边研究者合作完成了一篇论文

马越是第二位来找我的本科生,她是清华大学物理系基科班的,当时也是大二。我让她去学习有关光力学量子物理方面论文,经过一年多的努力,她也完成了那篇加热来冷却机械振子的论文,刚刚贴到arXiv上。马越曾经利用暑假去英国某大学访问过两个月,在那边她也参与了一个研究项目。目前马越正在跟我做毕业设计,我们在与实验组合作做一些新的、有趣的题目。

黄逸洲是第三位来找我的学生,他是清华大学计算机科学实验班大三的学生。一年多前他大二的时候找到了我,我让他研究基于超导电路的量子计算与量子模拟。有关的量子光学和数值模拟的技术都是他自学的。我给了他一篇有趣的文献,让他分析一下实验验证的可行性。后来我们在此基础上加以推广,也完成了一篇论文

徐达与马越是同班同学,他在大三下学期来找到我做科研项目。当时我看到诺贝尔奖获得者Frank Wilczek教授写了两篇纠缠历史的论文,就让徐达学学。后来我们与Wilczek教授合作完成了对纠缠历史的实验验证,更详细的过程我会另外撰文介绍的。现在徐达与我正在一起进一步的研究纠缠历史的内涵与外延,希望能有进一步的发现。

最后一位是徐启东同学,来自外交学院,本科专业是英语翻译。他大三的时候找到我,说他希望研究生时能转行念物理,所以想试着做点科研训练。我试着给了他一些文献,发现他自学能力很强:物理虽然是自学的,但是蛮扎实,数值计算的能力也不错。我给了他几篇文献,告诉他一个简单的思路,他很快就能通过解析与数值的办法来证明这个想法,很不错!我们合作的论文前不久贴到了arXiv上。

还有三个多月,孔令航、马越、徐达和徐启东就要毕业了,他们都选择念物理的研究生。不出意外的话,黄逸洲也会继续念研究生。我很幸运,能与这些天才的本科生合作,完成了一些蛮好的研究工作,同时也与他们一起学习了很多新的知识,拓展了研究领域。有了这些经验,我希望未来自己与学生们的合作能更富有成果,学生们也能有更多的收获,毕业后走向更加宽广的学术或者工作舞台。

2014年总结


不知不觉我来清华的第三年也过去了。如果要总结今年的收获的话,那就是我今年我进一步的扩大了自己的合作范围,与更多的人建立了实质性的学术合作。通过这些合作,我扩展了科研领域,学习了很多新东西。我与清华的第一个合同将在15年结束,我将续签三年合同。今年我参与发表了一篇实验论文,与同事金奇奂教授合作直接测量了量子系统的功分布,并验证了Jarzynski恒等式。这也是我第一个有关量子热力 学方面的研究工作,希望以后能够继续在量子热力学与量子信息的交叉领域做事情。我很幸运参与的第一个实验工作就发在《自然 物理学》这个很好的刊物上。与实验成功的合作也让我更坚定了自己未来的发展方向,我要做那些真真正正对物理发展有促进作用的工作,特别是对实验有促进的理论工作。与实验的合作与交流让我觉得自己的研究工作并不是空中楼阁,而是实实在在的。

我与理论组的合作也进一步的扩大了,我与北京大学,北京计算科学研究中心,中科院物理所,武汉物数所,福州大学,华南师范大学等单位的合作者们合写了论文,与国外的同行也合写了会议文章,七月份去夏威夷开了一个信息论方面的会议。我与南京大学的朋友还合作申请了一个光力学方向的实验研究课题,希望明年能够在 这个课题的资助下做一些光力学方向的有趣的实验。

也许因为合作太多,我自己的独立文章并不多。今年只投了一篇第一作者的研究文章,一篇第一作者的综述论文。明年要注意这个,还是要把精力投在自己的项目上,多写点第一作者和通讯作者的文章。现在评价学术水平,第一作者与通讯作者的论文才算数。

最后记录一点最近的体会。我们做科研要提升水平,必须摆脱跟着大牛的思维定式,要独立的思考找自己的研究题目,找到最重要的学科生长点,带动其他人来追随自己。希望在新的一年里面,我能够与合作者们一起努力,争取做出更好的成绩,走出自己的新路。