熱潮下的冷思考
——記北京大學(xué)前沿計算研究中心研究員袁驍

鄭 心 劉玉杰

袁驍

20世紀(jì)60年代，量子力學(xué)最偉大的實踐者之一理查德·菲利普·費曼（Richard Phillips Feynman）曾寫下這樣一句話：“我想我可以有把握地說，沒人真正懂得量子力學(xué)?！边@句話在今天看來仍有意義。迄今，人類還只能描述量子現(xiàn)象，而無法理解其背后的真正運行機制——因為量子世界的神秘之處在于，它所對應(yīng)的物理是人類無法通過宏觀感知識別的。為了揭示其中的奧妙規(guī)律，物理學(xué)家已經(jīng)提出了許多理論與多種詮釋。如今，這些專業(yè)術(shù)語隨著量子科技的發(fā)展也已逐漸滲透到了大眾的視野之中，如“糾纏”“測量”“退相干”等，聽起來神秘且晦澀，但也富有極強的魅力，吸引著無數(shù)如北京大學(xué)前沿計算研究中心研究員袁驍一般的青年科研人甘愿投身其中，奉獻青春?！拔夷壳暗难芯款I(lǐng)域主要是關(guān)于量子信息和量子計算的基礎(chǔ)理論?！贬槍@樣一門由量子物理、計算機科學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的新興交叉學(xué)科，袁驍堅定地認(rèn)為，量子信息和量子計算會是未來物理學(xué)和信息學(xué)發(fā)展的重大方向之一，“利用量子物理不同于經(jīng)典物理的特性，我們可以為計算機科學(xué)、信息科學(xué)提供新的方向，如安全量子通信協(xié)議，超越經(jīng)典算法的量子計算等?！?/p>

少年何妨夢摘星 敢挽桑弓射玉衡

早在高中時，袁驍在理科方面的天賦便已嶄露頭角。作為班級中的一名“競賽選手”，數(shù)學(xué)對他而言，不僅是爭取榮譽的賽場，更寄托著他求達真理的青衿壯志。但是通過高強度的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，他卻漸漸覺得抽象的數(shù)學(xué)公式似乎成了桎梏，讓自己難以發(fā)現(xiàn)萬物運行的本質(zhì)規(guī)律?！爱?dāng)然那時候的想法肯定不是很成熟”，立足當(dāng)下回首青澀光陰，袁驍如此評價彼時的自己，但同時他也慶幸著與物理學(xué)的相遇。

通過課本外加一些科普類書籍，物理學(xué)中對于探索宇宙運行機理的部分深深吸引著袁驍?shù)哪抗?，其“物有本末，事有始終”的演變規(guī)律與他對科研的無盡暢想不謀而合。于是，他在填報志愿時堅定地報考了北京大學(xué)的理論物理學(xué)專業(yè)，決心在這一領(lǐng)域中一展宏圖，正所謂“少年何妨夢摘星，敢挽桑弓射玉衡”。

整個本科階段，袁驍一直在天體物理與理論物理等領(lǐng)域中潛心篤行?！暗鋵嵞菚r候，我并沒有真正參與科研，沒有發(fā)表一篇文章?！币不蛟S正是在這段時間里，袁驍錘煉出了笑對挫折、苦中作樂的堅韌品質(zhì)，“我覺得剛開始投入科研工作，有些坎坷太正常了”?！跋碌昧丝喙Ψ颍米±浒宓省?，袁驍便是憑借著此種毅力，不僅同時獲得了理論物理與計算機的雙學(xué)位，更將國內(nèi)另一所頂級學(xué)府——清華大學(xué)——的博士錄取通知書也收入囊中。

2012年，袁驍順利成為清華大學(xué)第二批量子信息方向的博士生?！拔衣犃撕芏喙_課，最終決定將量子信息作為我畢生的研究目標(biāo)?！彼^量子信息科學(xué)，就是量子物理學(xué)和信息科學(xué)的交叉學(xué)科。這種誕生于后摩爾時代下的計算、編碼和信息傳輸?shù)娜滦畔⒎绞剑瑢⒊浞职l(fā)揮量子相干、量子糾纏等特性的強大作用，為突破芯片極限提供新概念、新思路和新途徑，這不僅充分顯示了學(xué)科交叉的重要性，且量子信息的最終物理實現(xiàn)，更會催生物理學(xué)、信息科學(xué)等觀念和模式的重大變革。

吾生也有涯，而知也無涯，為追尋這個尚且遙遠的科研理想，袁驍深以為自己的知識儲備與科研視野仍須不斷擴展，因此他在其后的幾年之中相繼前往中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、英國牛津大學(xué)與美國斯坦福大學(xué)開展博士后階段的研究工作，力求吸納百家之長，滋養(yǎng)自身之理想。

逐夢量子穩(wěn)步而行 學(xué)成歸來初為人師

如今，量子計算等技術(shù)在全球的學(xué)術(shù)界與工業(yè)界都是備受矚目的焦點，人才緊俏、研究火爆，發(fā)展勢頭十分迅猛，甚至已逐漸成為世界各國戰(zhàn)略競爭的重點之一。各國高校都紛紛開始建立起相關(guān)的重點實驗室，但袁驍卻對海外相對前沿的研究環(huán)境毫無留戀，在2020年成功走完了在斯坦福大學(xué)的“取經(jīng)”之旅后，毅然下定決心回歸祖國，縱然其間遭遇了疫情的阻礙，但他還是順利加入了令他寤寐思服的母?！本┐髮W(xué)的前沿計算研究中心，為我國的量子技術(shù)添磚加瓦。

“一方面，我在研究量子信息的基礎(chǔ)理論，這有助于更好地理解量子特性，從而設(shè)計出新的量子協(xié)議和算法。另一方面，我和團隊主要以目前或近期可實現(xiàn)的量子計算機為目標(biāo)，來設(shè)計新的量子計算算法。”相較于為21世紀(jì)信息科學(xué)發(fā)展提供新的原理和方法的量子信息技術(shù)，量子計算的實現(xiàn)目前仍相對受限。另外，雖然量子通信是當(dāng)之無愧的信息安全利器，但相比起來，量子計算一旦被攻破，則可能成為新一代科技進步的引擎。但若要實現(xiàn)通用量子計算，無疑需要學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的共同努力。

盡管目前對于多久可以實現(xiàn)通用量子計算還有待討論，但針對特定問題的小規(guī)模量子芯片或許有望在不久的將來得以達成，甚至可以希冀的是，小型量子芯片在未來會在化學(xué)、材料、人工智能等眾多特定領(lǐng)域綻放光芒。

依托于這樣的發(fā)展背景，袁驍也在自己的職業(yè)規(guī)劃路上穩(wěn)步前行：在量子相干性方面，他創(chuàng)新性地提出了量子相干性的度量、提純及與量子隨機性的關(guān)系，相關(guān)文章入選了基本科學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫（ESI）Top 1%高引論文。與此同時，袁驍還提出并解決了單份量子相干性的稀釋問題，為單份量子相干性理論提供了基礎(chǔ)。在量子糾纏探測方面，他提出了糾纏驗證的測量漏洞問題，并與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)實驗團隊合作實現(xiàn)了克服相關(guān)問題的糾纏驗證實驗。

始于理論，臻于應(yīng)用。袁驍對于量子計算的應(yīng)用同樣有著自己的洞見：在量子隨機數(shù)方面，他著眼于基于量子相干性的應(yīng)用，設(shè)計并實現(xiàn)了基于超導(dǎo)量子比特的量子伯努利工廠協(xié)議；在量子模擬方面，他則更多聚焦于基于量子錯誤緩解算法，提出了量子計算機的虛實演化變分算法以及在量子化學(xué)中的應(yīng)用方法，并針對一般過程的量子模擬算法和有效的開放系統(tǒng)進行模擬。同時，袁驍還在《現(xiàn)代物理評論》（Reviews of Modern Physics）和《自然物理評論》（Nature Review Physics）發(fā)表綜述論文，且都入選了基本科學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫（ESI）Top 0.1%高被引論文。

迄今，袁驍與量子信息和計算科學(xué)結(jié)緣已十年有余。這期間，他共在國際學(xué)術(shù)期刊，例如《自然》（Nature）及其子刊、《科學(xué)》（Science）、《物理評論X》（Physical Review X）、《物理評論快報》（Physical Review Letters）和《現(xiàn)代物理評論》（Reviews of Modern Physics）等發(fā)表論文共76篇，其中包括3篇ESI熱點論文（0.1%）和6篇ESI高引論文（1%），其工作還多次被國內(nèi)外媒體報道。

對科研，袁驍胸有成竹、循夢而行，但對加入高校后初為人師的新身份，他卻表示“還在學(xué)習(xí)中”?！皬膶W(xué)生到老師，這一身份的轉(zhuǎn)變還需要一些時間來適應(yīng)，為人師表是一件不容易的事?！痹斨毖?。不過，一年的上課體驗已讓他收獲了授人以漁的成就感，但同時，他也反思道：“不同學(xué)生的學(xué)習(xí)和接受能力可能差異很大，因此需要因材施教，今后我也會朝此方向不斷努力?！?/p>

木鐸金聲，滋蘭樹蕙。量子技術(shù)的未來光明但道阻且長，需要學(xué)術(shù)界薪火相傳方能發(fā)展壯大。袁驍作為其中集學(xué)、研一體的年輕科研人，更覺重任在肩，不敢懈怠。因此，他表示要始終保持一顆冷靜的頭腦，即便在量子技術(shù)掀起的如此熱潮中，也須心無外物地冷靜思考，因材施教地立德樹人。