張國鋒：探尋神秘的量子世界

武光磊

世界變幻莫測，科學(xué)向喜愛它的人們展開巨大的懷抱。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，量子論和相對論的出現(xiàn)使當(dāng)代物理學(xué)的研究多了兩個新的方向。相對聞名遐邇的愛因斯坦相對論，量子世界就像另一片深邃寬廣的星空，讓這條路上的科學(xué)家們樂此不疲。盡管著名物理學(xué)家費(fèi)曼曾說：“沒有人真正了解量子力學(xué)?！辈贿^，這并沒有阻止科學(xué)家們前進(jìn)的步伐，從普朗克發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)開始，科學(xué)家們爭先恐后，愛因斯坦、玻爾、海森堡、以至后來薛定諤用量子力學(xué)思維做了一個“薛定諤貓”的思想實驗。

和大量繁復(fù)的數(shù)字、沒有盡頭的實驗相比，對未知產(chǎn)生的好奇，才是科研路上最大的動力。目前，量子力學(xué)還存在有很多未解謎題，不過，已經(jīng)有人在研究量子理論這條道路上越走越開闊，而且他出發(fā)得比一般人還早。他就是北京航空航天大學(xué)博士生導(dǎo)師——張國鋒教授。

神秘大門透出的亮光

1999年山西大學(xué)本科畢業(yè)后，張國鋒師從梁九卿教授進(jìn)行碩博連讀的學(xué)習(xí)。當(dāng)時我國對量子信息的研究基本處于萌芽階段，梁九卿教授認(rèn)為這將會是一個新的研究方向，在張國鋒的師兄師姐都跟著老師做磁宏觀量子效應(yīng)研究的時候，老師毅然決定讓他去湖南師范大學(xué)的暑期班里學(xué)習(xí)和量子理論相關(guān)的知識，量子信息這道神秘的大門緩緩打開。

張國鋒本碩博就讀的山西大學(xué)物理電子工程學(xué)院師資雄厚、設(shè)備齊全。碩博連讀期間，為拓展視野、豐富知識，他還專門前往中國科學(xué)院學(xué)習(xí)。在交通落后的情況下，北京、山西兩頭跑，校內(nèi)扎實的基礎(chǔ)知識以及校外新的理論知識的加固，使得張國鋒在量子信息基礎(chǔ)研究方面有了很大的提升。對張國鋒的聯(lián)合培養(yǎng)，中國科學(xué)院也承擔(dān)著重要的角色，博士畢業(yè)后，張國鋒到中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所進(jìn)行博士后研究工作，在李樹深院士的指導(dǎo)下，張國鋒的研究興趣進(jìn)一步拓寬到基于固態(tài)體系為載體的量子信息研究。從2006年到北京航空航天大學(xué)任教以來，更是把他的研究方向細(xì)化到光力耦合體系的量子物理相關(guān)問題。

在量子相關(guān)研究中，量子調(diào)控是國家的重大科研計劃，是構(gòu)建未來信息技術(shù)的理論基礎(chǔ)。張國鋒圍繞“如何制備、控制及應(yīng)用具有高魯棒性的量子糾纏態(tài)”這一科學(xué)問題展開了具體細(xì)致的工作，并取得了不錯的成績。

量子糾纏是量子力學(xué)的最神奇的特性之一。它描述了兩個粒子互相糾纏，即使相距遙遠(yuǎn)，一個粒子的行為將會影響另一個的狀態(tài)。張國鋒形象地解釋了量子糾纏：“就像是手機(jī)用戶和移動聯(lián)通等簽的協(xié)議，也就是手機(jī)卡，當(dāng)兩個粒子處于糾纏態(tài)，只有借助這個協(xié)議（糾纏態(tài)），才能進(jìn)行量子通信?！鼻籓ED系統(tǒng)是目前最有前景的硬件系統(tǒng)之一，它被廣泛地應(yīng)用于量子態(tài)的制備和操控。為此，張國鋒系統(tǒng)考察了旋波近似下腔OED體系中的量子糾纏、量子關(guān)聯(lián)的產(chǎn)生與演化以及與量子相位之間的聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)：量子糾纏猝死現(xiàn)象不僅依賴于體系初始態(tài)的糾纏，而且還依賴于初始態(tài)，且原子間偶極一偶極相互作用可以削弱這種現(xiàn)象，光場的損耗可以很明顯地延緩糾纏猝死。張國鋒在此基礎(chǔ)上就固態(tài)自旋體系提出了一套抑制量子糾纏猝死和量子態(tài)傳輸?shù)膬?yōu)化方案。

眾所周知，實現(xiàn)量子信息處理的必需資源是量子糾纏態(tài)。而量子糾纏態(tài)是非常脆弱的，張國鋒在前人研究工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討了固態(tài)兩量子比特自旋模型中的熱糾纏，將自旋所處磁場分為均勻和非均勻兩部分，發(fā)現(xiàn)磁場的非均勻部分使量子糾纏的演化出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，也詳細(xì)研究了Heisenberg交換相互作用對量子熱糾纏的臨界行為的影響。隨后更引發(fā)了國內(nèi)外關(guān)于量子熱糾纏的研究。

Dzyaloshinski-Moriya（DM）相互作用來自自旋軌道之間的耦合，是一種各項異性相互作用，在許多磁性材料中都存在。張國鋒將DM相互作用引入兩自旋量子比特鏈中，結(jié)合Heisenberg相互作用研究了DM相互作用對量子熱糾纏的影響，發(fā)現(xiàn)DM相互作用可以激發(fā)量子熱糾纏的產(chǎn)生，可以使鐵磁耦合的自旋體系成為好的量子態(tài)傳輸?shù)耐ǖ溃夷茱@著提高態(tài)傳輸?shù)谋Ｕ娑?。以這一研究成果為代表的論文獲得“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”，被引150多次，為ESI高引論文。與此同時，張國鋒把自己的研究推廣到量子關(guān)聯(lián)，得到一些量子關(guān)聯(lián)度量量間的因子化公式，同時也比較了量子關(guān)聯(lián)和量子糾纏在實現(xiàn)量子算法、構(gòu)建量子邏輯門的異同。

神秘的量子世界透出的光讓張國鋒雀躍不已，他飽含熱情地走在研究量子世界的大道上，默默耕耘，靜靜享受這神秘帶來的不一樣的世界。

光亮指引前進(jìn)的方向

一分耕耘一分收獲。張國鋒在量子研究這條道路上不僅收獲了具有創(chuàng)新意義的科研成果，而且多次主持包括國家自然科學(xué)基金青年基金、面上基金等項目在內(nèi)的多項科研項目；發(fā)表多篇代表性論文，并多次被他引；在教學(xué)上成果也很顯著，多次獲得各種校內(nèi)優(yōu)秀教師獎勵。

但是張國鋒并沒有止步于此，神秘的量子世界還等待著他去進(jìn)一步破解其中的奧秘，在長期量子光學(xué)基礎(chǔ)理論、自旋模型中量子糾纏、量子關(guān)聯(lián)動力學(xué)研究的相關(guān)基礎(chǔ)上，依托北航和中科院的兩個重點(diǎn)實驗室和三個重量級的研究團(tuán)隊共同合作，將就全耦合區(qū)量子比特與光場動力學(xué)行為及應(yīng)用這一熱點(diǎn)問題展開深入研究。

構(gòu)造量子比特是量子信息處理的首要，實現(xiàn)量子比特有很多種物理方案，量子比特與光場相互作用體系是量子光學(xué)甚至凝聚態(tài)物理的一個重要研究內(nèi)容，同時也是實現(xiàn)量子計算的重要途徑?？匆娏孔邮澜绨l(fā)出的神秘的光，張國鋒對接下來的工作重心有了清晰的規(guī)劃：（1）進(jìn)一步求解兩量子比特與光場相互作用強(qiáng)耦合體系的動力學(xué)演化，尤其是兩個量子比特的閂abi模型的近似求解；（2）根據(jù)系統(tǒng)演化性質(zhì)，選擇合適的初始條件和反應(yīng)時間，構(gòu)建超快兩量子比特邏輯門和進(jìn)行相干量子態(tài)的超快傳輸?shù)妊芯?；?）尋找新奇的特殊量子本征態(tài)，并通過研究包括耗散在內(nèi)的動力學(xué)，考察這些具有特殊性質(zhì)的量子態(tài)（比如：暗態(tài)）在量子信息中的應(yīng)用。張國鋒不僅把自己接下來的工作定位在這三方面，還就這三方面的研究擬定了初步研究方案。

將選取量子比特與光場相互作用體系為研究對象，屬量子光學(xué)及凝聚態(tài)物理以及其它許多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的模型，尤其是近年來隨著強(qiáng)耦合在實驗上的實現(xiàn)，Rabi及類Rabi模型的簡潔易實驗參考的解和長時間動力學(xué)及相關(guān)應(yīng)用的研究更顯得日益重要。張國鋒打算通過研究，得到全耦合區(qū)體系動力學(xué)演化規(guī)律，尋求特殊的類似“暗態(tài)”的新奇量子態(tài)，并預(yù)測其在量子信息中的應(yīng)用，最終為設(shè)計新型量子器件提供理論支持。

張國鋒沿著光亮繼續(xù)研究的同時，并沒有忘記當(dāng)初幫自己打開神秘大門的老師，一路走來，師恩難忘，情誼深厚，自己的科研興趣越來越濃。所以他在教導(dǎo)自己學(xué)生時，很看重學(xué)生的興趣點(diǎn)，并且要求學(xué)生誠信，因為他認(rèn)為誠信是科研人員首要的素質(zhì)。不僅領(lǐng)導(dǎo)學(xué)生做理論研究，心里裝著研究項目，而且鼓勵學(xué)生“走出去”展示自己的成果，進(jìn)行學(xué)術(shù)的交流。閑暇時間，張國鋒更能和學(xué)生打成一片，是亦師亦友的好榜樣。

費(fèi)爾巴哈曾說“理論所不能解決的那些疑難，實踐會給你解決?！痹跒榻酉聛淼墓ぷ髋Φ耐瑫r，張國鋒也深刻意識到：只做基礎(chǔ)研究，學(xué)生的興趣度不高，而且和實驗的結(jié)合度不緊密?！爸挥袑⒗碚摵蛯嵺`更好地結(jié)合，才是當(dāng)代科研最‘接地氣的方式?！背@一目標(biāo)，他會在神秘的量子世界里繼續(xù)探尋。