光影使者 照亮量子信息處理新里程

肖延勝

量子通信和量子計(jì)算機(jī)是我國規(guī)劃的科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目，也是國家實(shí)驗(yàn)室最早部署和研究的領(lǐng)域之一。在2007年實(shí)現(xiàn)了北京和維也納之間世界首次量子洲際通信之后，很多國家都提出參與這一科研項(xiàng)目的合作意向，而中國也在不斷精進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)量子信息與通信的新發(fā)展。本文的主人公夏可宇教授，利用其擅長的光學(xué)領(lǐng)域，也在為量子信息與通信的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量。

砥礪前行，發(fā)揚(yáng)光的精神

1995年夏可宇進(jìn)入燕山大學(xué)，開始了長達(dá)7年的電子電路的學(xué)習(xí)時(shí)光。碩士畢業(yè)后，他來到了中國科學(xué)院上海光精密機(jī)械研究所攻讀光學(xué)博士學(xué)位。博士畢業(yè)后，夏可宇先后來到德國馬克斯 普朗克核物理研究所、美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)和澳大利亞麥考瑞大學(xué)做博士后和研究員?；貞浧鹱约旱那髮W(xué)經(jīng)歷，雖然頗為坎坷，但夏可宇覺得那是一段特別美好的時(shí)光。不論遇到多少困難，有過什么樣的彷徨，始終不改對(duì)科學(xué)探索的熱愛。少年易老學(xué)難成，一寸光陰不可輕，正是憑著這份對(duì)真理的追求和對(duì)科學(xué)的喜愛，夏可宇一路前行，并入選第十三批國家“青年千人計(jì)劃”。

2017年，夏可宇來到南京大學(xué)，受聘于現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院光學(xué)工程系。對(duì)于夏可宇來說，10多年的學(xué)習(xí)生涯是他汲取積累知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的一個(gè)過程，而現(xiàn)在的他要將自己的光熱發(fā)揮出來，為科技發(fā)展貢獻(xiàn)力量。量子通信作為我國重點(diǎn)的扶持項(xiàng)目，離不開光學(xué)和熱學(xué)的支撐。國家需要更多的新鮮血液加入到這一領(lǐng)域，促進(jìn)科研及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。夏可宇意識(shí)到這一點(diǎn)，決定利用自己的親身經(jīng)歷幫助更多的年輕人，讓祖國的光學(xué)科研事業(yè)能夠蓬勃發(fā)展。 “我希望有更多年輕人和我并肩前行：年輕人會(huì)看到我所看不到的東西，由此而打開新的科研思路；而像我們這些做了10年20年研究的人，卻可以幫助他們彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)上的不足。這樣的新老配合會(huì)使科研效果更加顯著。”

夏可宇的這一番話讓所有人看到了他對(duì)于科研的熱愛。三尺講臺(tái)上，他誨人不倦，為中國的量子光學(xué)科研工作發(fā)熱發(fā)光。

投身科研，做量子通信的螺釘

單光子是現(xiàn)代量子光學(xué)主要研究領(lǐng)域，是量子信息處理的基礎(chǔ)。想要發(fā)展量子通信，首先要保證單光子的傳輸。而夏可宇通過自己不懈的努力，在單光子的傳輸上取得了重要成績。

遠(yuǎn)程量子節(jié)點(diǎn)都是通過傳遞光子實(shí)現(xiàn)量子信息傳輸。傳統(tǒng)單光子測量方法會(huì)使光子被吸收而消失，在量子信息處理的很多應(yīng)用中受限。幾十年來，測量傳輸中的單光子一直是量子光學(xué)和量子信息領(lǐng)域的一個(gè)挑戰(zhàn)性難題。夏可宇與合作者提出通過增強(qiáng)四波混頻讓信號(hào)光與探測光在一維原子介質(zhì)中交換能量，從而形成激子振蕩型光子相互作用，考慮到單光子量子非局域特性，夏可宇與其團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)弱探測光子掃過信號(hào)光子誘導(dǎo)180度相位移。通過艱難的理論數(shù)值分析，夏可宇與其合作者為傳輸型單光子量子非破壞測量和基于此的量子門操作提供了一個(gè)可行的解決方案。Science評(píng)論該工作稱“為基于量子非破壞測量的量子信息處理提供了一個(gè)更簡單方案”。這一科研成果的廣泛認(rèn)可增強(qiáng)了夏可宇勇往直前的決心。在此基礎(chǔ)上，他繼續(xù)量子光學(xué)的研究。

光的傳播由麥克斯韋方程描述。受限于基于麥克斯韋方程導(dǎo)出的洛倫茲互易定理，光在傳統(tǒng)光器件中傳輸一般都是可逆的或者稱互易的。這樣，從出射端口反射的光會(huì)進(jìn)入傳統(tǒng)光器件的入射端，從而損害光源?，F(xiàn)代光器件尤其是光量子信息處理系統(tǒng)往往需要隔離有害的反射光。而且很多類型量子通信協(xié)議和光量子門也需要單光子隔離功能模塊。隔離反射光要通過光的非互易器件來實(shí)現(xiàn)，一般情況下，科研人員會(huì)利用法拉第磁光效應(yīng)。但是引入磁場后器件難以集成，而且損耗大，不利于量子信息處理。夏可宇提出了基于腔與波導(dǎo)量子電動(dòng)力學(xué)的兩種單光子隔離器和一種單光子回旋器，并且可對(duì)光隔離行為量子進(jìn)行調(diào)控。夏可宇利用納米波導(dǎo)或光的偏振與傳輸方向具有相關(guān)聯(lián)性這一特性，設(shè)計(jì)原子與單光子量子手性耦合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了隔離單光子反射。這一理論發(fā)表后，很快引起國際同行關(guān)注。其中單光子隔離器被著名的維也納量子光學(xué)Arno Rauschenbeutel教授實(shí)驗(yàn)小組演示，實(shí)驗(yàn)工作發(fā)表在國際頂級(jí)物理學(xué)術(shù)期刊《PRX》上。單光子回旋器也被Armo教授小組實(shí)現(xiàn)，并發(fā)表在《Science》上。這一科研成果的廣泛應(yīng)用也是對(duì)夏可宇十幾年科研工作的肯定。天道酬勤，正是夏可宇的堅(jiān)持、努力和他無私奉獻(xiàn)的精神，為他未來的發(fā)展?fàn)幦〉搅烁鼜V闊的空間和更好的平臺(tái)。

夏可宇說，他會(huì)繼續(xù)努力科研，在量子光學(xué)的科研道路上繼續(xù)走下去。他始終堅(jiān)信一份耕耘就會(huì)有一份收獲，他要努力做量子光學(xué)發(fā)展道路上的探路者。

個(gè)人簡介

夏可宇博士，2017年加入南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院光學(xué)工程系，受聘為教授。于2007年獲得中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所“光學(xué)”博士學(xué)位。2007-2010年在德國馬克斯

普朗克核物理研究所（ Max-PlanckInstitute for Nuclear Physics）做博士后，主要研究超導(dǎo)量子電路和光學(xué)腔。2011年在美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)（Texas A&M; University）做博士后助理研究員，研究手性光學(xué)。201 1年獲得澳大利亞科研部博士后研究員職位，在麥考瑞大學(xué)（Macquarie University）物理系從事混合量子系統(tǒng)、腔和波導(dǎo)量子電動(dòng)力學(xué)、光力學(xué)及凝聚態(tài)物理等研究工作。在《Phys.Rev.X》和《Phys. Rev.Lett.》等國際一流物理雜志發(fā)表論文30多篇，并有2項(xiàng)國際發(fā)明（PCT）專利公布。研究工作被《Science》和Phys. Org報(bào)道，并被Nature綜述評(píng)論。首先提出實(shí)際可行的單光子隔離方案，并被維也納量子科技中心實(shí)驗(yàn)演示。還擔(dān)任《PRL》《PRA/B》《PRApplied》《Optics》《Express》《Scientific》《Reports》和《JOSAB》等十多個(gè)國際學(xué)術(shù)期刊審稿人。2017年入選第十三批“青年千人計(jì)劃”。