薛鵬：由量子理論轉向實驗，背後儘是辛酸

知識 08-26

薛鵬：由量子理論轉向實驗，背後儘是辛酸

薛鵬

在本期的「女科學家去哪兒了」，我們採訪了實驗物理學家、東南大學物理系教授薛鵬。不同於很多知識女性展現出來的優雅從容，薛鵬的堅韌、頑強、執著和坦誠讓人印象深刻。在下決心從本來的理論研究轉向實驗研究的過程中，各種人、財、物的極度短缺曾讓她步步艱難，辛酸備至。但最終，在短短一年半的時間裡，她的課題組在量子信息和量子光學方面取得了不俗的成績。

薛鵬，東南大學物理系教授、博導。1999年以優異成績提前一年於中國科學技術大學物理系畢業，免試進入本校中科院量子信息重點實驗室攻讀博士學位，於2004年獲得博士學位。後赴奧地利因斯布魯克大學及加拿大卡爾加里大學任博士後，講師等，2009年回國任教。從事量子信息和量子光學的實驗及理論研究，致力於量子信息和量子光學的實用化和工程化。

採訪&編輯雨遇、楊璐

努力用量子行走實現量子通信

賽先生：感謝接受我們的採訪。請先介紹一下你的主要研究工作？到目前為止，你覺得自己最好的工作是哪一部分？

薛鵬：我主要從事量子信息和量子光學的研究工作。2013年之前，我都是從事量子信息和量子光學的理論研究，但物理是實驗的學科，很多物理現象的發現和驗證都離不開實驗。作為理論物理學家，與實驗物理學家合作時，會發現很多理論的想法由於實驗條件所限無法實現，有的時候也會想如果自己做實驗會不會就不再在這方面受制於人。而且在量子物理方面，實驗得出的成果往往更能得到認可，也就可以帶來更多的經費支持。綜合考慮之後，我決定在實驗方向試一試。

2013年下半年，我開始負責建設東南大學量子光學實驗平台，正式轉向實驗物理方向，初步建成科研平台。目前，實驗室已經置辦下光纖飛秒激光器、半導體激光器、單光子探測器、八通路數字信號符合儀等實驗儀器，對量子行走這一課題展開了開創性和系統性的實驗研究。

2015年，我們率先觀測到量子行走中光信息的傳播擴散與恢復現象，並且在國際知名學術期刊Physical Review Letters上發表了相關的實驗論文。量子行走在量子計算中有著廣泛的應用，例如利用量子行走開發的針對無序資料庫的搜尋演算法等。那麼，量子行走是否能夠應用於量子通信呢？這主要取決於量子行走中是否存在信息的傳播與恢復。我們觀測發現，攜帶信息的量子行走者可以在任意的偶數演化時間後恢復至初始狀態，在此之前依然遵從量子行走的擴散規律。這一理論的提出及實驗的驗證顛覆了人們以前對量子行走的認識，並為量子行走在量子信息中的應用提供了新的方向，為理解基於量子力學的動力學演化的基本現象提供了新的視角，同時也為研究量子擴散及對拓撲現象的量子模擬提供了新的思路。隨後，課題組用線性光學體系首次在實驗上實現了基於量子行走的正定算符測量，並且在Physical Review Letters上發表了相關的實驗論文。通過依賴光子空間模式的量子行走演化，我們構建了正定算符測量的測量算符，成功地對非正交態進行了最優化的無差錯態識別。這一理論的提出及實驗的驗證顛覆了人們以前對量子行走的應用的單一認識，為量子行走在量子計量學中的應用提供了新的方向，為理解基於量子力學的基本原理提供了新的工具——廣義測量及鈍化測量，同時也為研究量子信道和量子保密通信提供了新的思路。

2016年，課題組首次在實驗中觀測到非定域性和互文性這兩種量子特性之間存在此消彼長的monogamy關係，從而為揭示量子糾纏是一種普適的資源提供了直接證據。這個實驗刷新了人們對於量子糾纏的傳統認識，首次提出量子糾纏作為一種更普適的量子資源，非定域性和互文性的驗證都將耗費這種資源，證明了非定域性和互文性是同一實在性的兩種不同表示這一全新的觀點。論文發表於Physical Review Letters並被選為編輯推薦論文。

薛鵬：由量子理論轉向實驗，背後儘是辛酸

2016年，薛鵬課題組首次在實驗中觀測到非定域性和互文性這兩種量子特性之間存在此消彼長的monogamy關係，為揭示量子糾纏是一種普適的資源提供了直接證據。（圖片來源：Physical Review Letters 116, 090401 (2016)）

賽先生：你目前最感興趣的研究課題是什麼？最大的挑戰和自己的優勢是什麼，哪方面最有可能取得突破？

薛鵬：我目前最感興趣的研究課題是利用量子行走開發研製普適的量子信息處理平台。量子行走平台可以實現任意的兩維或高維體系的幺正演化，從而實現量子態製備和傳輸、量子邏輯門操作、量子測量等一系列的量子信息處理任務。這是因為，量子行走中可控的自由度包括硬幣和行走者，行走者可將硬幣的態攜帶至合適的位置（對應時間域上合適的時間節點），而硬幣旋轉的過程即可實現對行走者的某些位置的硬幣態的幺正演化。例如，我們要對三能級體系(qutrit)實現一個SU(3)的3×3的幺正演化，首先可以將SU(3)的矩陣分解成三個SU(2)的矩陣的點乘，每個SU(2)都是對三維體系中兩個維度做單比特旋轉操作。我們可以通過硬幣旋轉實現這個單比特操作，同時通過「行走」對三維體系的基矢作為重新排列，及可以選擇對三個維度中的任意兩個進行單比特旋轉。對於量子行走平台，每個單比特旋轉操作都可以由相應的硬幣拋擲過程實現，而基矢的重新排列則可以用行走者在時域空間中的行走來實現。由此我們可以看出，量子行走可以作為普適的量子信息處理平台，實現任意兩維或高維的態的幺正演化。

其中最大的挑戰就是如何實現量子行走平台的小型化和集成化。目前我們已經有一些相關的進展。我們組的優勢就是我對量子行走方面的深入研究和多年的積累。所謂「一招鮮吃遍天」，我希望有一天能在量子行走這一方向上做到無可取代，一提到量子行走這一課題，業內人士就能想到我和我的課題組。

近期內我希望我們能夠在量子行走平台實現量子模擬這一方面取得更大突破。

薛鵬：由量子理論轉向實驗，背後儘是辛酸

賽先生：你覺得和經典相比，該怎麼描述量子所展現出來的非凡性格？

薛鵬：量子與經典相比，最大的特點就是疊加性，同時相干地幾率性地處在不同的量子狀態上，沒有測量之前不能確定到底是什麼態，而測量之後則塌縮到可觀測量的本徵態之一。量子特性均來源於此。

賽先生：對量子世界的認識會影響你的世界觀和宇宙觀嗎？

薛鵬：接觸到量子世界是在我上大學的時候，而我的世界觀和宇宙觀在此之前很早就形成了，而且比較堅定，並沒有因為對量子世界的認識而改變。量子信息學和量子光學是我的專業，我從事科學研究的對象，對我的「三觀」並沒有影響。

賽先生：儘管物理學是一個整體，你的研究也非常系統，但是物理學內部也有很多不同的傾向和美。對你來說，有哪些深刻的研究動機或科學的美是打動過您的？

薛鵬：我以前也講過，我覺得薛定諤方程很美。每次解薛定諤方程的時候，我都感慨線性代數的美，薛定諤方程的美。

華麗背後是辛酸

賽先生：現在我們來說說你個人吧。女孩學物理的不算多，當初你是怎麼決定要學物理的，又是從什麼時候開始想成為一名物理學家的？

薛鵬：我從小就屬於那種公認的聰明小孩，數理化文史哲基本上不偏科。我們那個年代上中學的時候很流行一句話：「學好數理化，走遍天下都不怕。」數學是基礎，化學比較具象，我也感覺難度不大，為了證明自己聰明，我從初中二年級開始就決定把物理學好。一開始是出於虛榮，後來反而越學越有興趣。1995年高考之後，我進入中國科學技術大學物理系學習，之後又提前一年畢業並獲得免試研究生資格，師從郭光燦院士，從事量子光學和量子信息研究。博士畢業後，我先後在在奧地利因斯布魯克大學和加拿大卡爾加里大學從事博士後研究工作。2009年，我作為引進人才回國加入東南大學，也就順理成章地成為一名從事基礎物理研究的科研工作者。

賽先生：可以說，2013年後你快速且成功地從理論轉向了實驗，你是怎麼做到這一點的？

薛鵬：在實驗方向取得重要成果後，很多人說我在短短一年半的時間內實現了從理論到實驗的華麗轉身。但這轉身背後，卻是步步艱難。主要的困難一共有三個方面。首先是實驗用房，其次是人員，最後是經費。實驗用房是最難解決的問題，狹小的空間還需要與人共用、滯後的建設使得實驗舉步維艱。除此之外，有限的生源和欠缺的經費也使這「華麗的轉身」異常艱難。當初經費非常緊缺，連基礎的實驗儀器和材料都無法購齊。所幸後來系裡支援了36萬，作為購買第一批儀器的經費，這筆費用直接堅定了我做實驗的決心。但是我的想法是：有錢就做有錢的事兒，沒錢也可以做沒錢的事兒，做實驗不一定非要那麼多經費。經費不足的時候，我們可以從巧思方面去突破。總有一個方向你可以找到，突破了之後就柳暗花明了。對人生做出改變，什麼時候都不算晚。不要找客觀理由，因為沒有用。理由只能安慰自己，別人完全不關心。我們總是說過程才重要，結果不重要。其實過程只是對自己重要，我們在過程中學習、享受、受挫、堅持，所有的這一切對自己是寶貴的財富，而別人只看到結果而已。

這故事算不上有趣，對我來說其實反而是辛酸。每次出席會議作報告的時候，我都會用一頁幻燈片來介紹我們實驗室的基本情況，例如實驗室要與人共用，只有2.4×1.2米的平台，全部家當包括裝修超凈室共花費60餘萬等等。現在隨著科研越來越上軌道，希望情況也能逐漸好轉，對此我還是很樂觀的。

賽先生：在你的學習和職業生涯中，哪些科學家的方法、趣味對您產生過深刻的影響？

薛鵬：我是一個比較依賴於自己判斷力的人，不太會受到書本上科學家的軼事或者壯舉所激勵或感動，所以對我產生深刻影響的人都是我身邊認識的人，比如我的導師郭光燦院士。他的科學品味是我一直學習的目標，他為人處世的態度尤其是教育指導學生的方式都是我一直在模仿還未能達到的。正是他當初咬牙借錢做實驗的決心如今激勵了我，堅定了我從理論向實驗轉型的信心。

賽先生：你覺得自己性格中的哪種品質對你的科學研究最有幫助？

薛鵬：我性格中的堅韌、獨立、對自己有清醒的認識，這些都對我從事的科學研究工作有一定幫助。最有幫助的還是我很勤奮，能吃苦，我覺得我即便不從事科研工作，我也會受益於這種品質。

賽先生：你平時的工作習慣是怎麼樣的，最重要的經驗是什麼？喜歡和別人通過交談來討論問題嗎，交談是否能讓您從中得到靈感或啟發？

薛鵬：我平時的工作習慣是一定要做完一件事再開始另外一件事。最重要的經驗就是要勤奮，肯吃苦，堅定地相信別人能做到的自己一定也能做到，如果一時還沒能做到，那只是下的功夫和花的時間積累沒到而已。

我會跟別人討論問題，通常會跟同行、合作者及學生討論科研問題。但是我不習慣閑聊，我和別人討論問題都是事先有非常明確的目的和方向性，就是直奔解決問題而去的。我也很羨慕有的人能夠通過普通的交談或者閑聊得到靈感或啟發從而解決難題，但是這不太適用於我。大多數場合下，我話非常少。當然我跟親人朋友還是會聊得很high的，但是工作和生活還是分得比較開。

賽先生：你覺得，進入物理學研究後，現實情況和當初的理想相符嗎？工作給你帶來的最大滿足和失落是什麼？

薛鵬：目前從事的工作恰好是我的興趣所在，而我還能夠利用我的興趣養活自己，這是工作給我帶來的最大滿足；但是賺的辛苦錢與我的付出和所承擔的壓力並不成比例，這是工作給我帶來的失落。除此之外，雖然科研工作做得還說得過去，經過長期積累，近年來也有一些高水平的論文，但是我年逾不惑卻由於種種原因並沒有入選任何人才項目，也沒有title。而且科研工作缺乏基本的平台和支撐，基本上可以說是捉襟見肘，舉步維艱，全靠我的意志品質在苦苦堅持，然而這不是長久之計。這是我目前最大的失落和苦惱。

薛鵬：由量子理論轉向實驗，背後儘是辛酸

薛鵬教授課題組實驗室儀器設備。（圖片來源：http://hpc.seu.edu.cn/xuepeng/facilities.html）

賽先生：對想要或剛剛進入物理學領域的學生，你有什麼研究或實驗上的經驗或教訓可供分享的嗎？面對困難時，一般該如何渡過難關？

薛鵬：對於剛剛進入物理學領域的學生，我的建議是要遵從內心，要遵從興趣。學物理並不是一個很好的謀生的手段，一定要有興趣，能堅持，忍耐寂寞，承受挫折，安貧樂道，才能在物理相關的科研工作領域走下去。如果沒有興趣，當初只是高考沒有考好，被調劑到物理或相關科系，也沒有關係，學好基礎知識，培養自己的科學素養，儘可能早地轉專業轉行業，廣闊天地大有可為。

面對困難時，如何渡過難關，這個問題實在太籠統了。困難有很多種，每種都有不同的解決方式。總之就是要對自己有清醒的認識，面對困難可以選擇繞過去另起一行，也可以選擇堅持，想辦法突破。但是，不管哪種解決方式都要求你有很好的執行力，不是光空想或者坐等，就能解決困難的。

女科學家因何難上加難

賽先生：你覺得女性從事科學研究是否比男性要付出更大代價，面臨更多挑戰？尤其對實驗物理學家而言，實驗室生活會佔據大量時間，您怎麼處理和看待科研和私人生活之間的衝突？有沒有身邊同事或者學生的遭遇或經驗可以分享的？

薛鵬：這個問題我確實想好好表達一下我的觀點。女性從事科學研究工作確實要比男性面臨更多挑戰。這並不在於科研佔據了大量時間，這一點男性和女性是一樣的，如何平衡工作和生活是每個人都平等地要面臨的問題。

我認為女性從事科學研究工作之所以需要面臨更多的挑戰，首先是因為以前長期以男性為主導的社會固化了女性的社會角色。男性主導的社會更傾向於認為女性的社會角色是家庭主婦，或者從事一些護理、教育、社會工作、語言學、時尚行業等相關的工作。一旦女性試圖承擔除此之外的社會角色，也就是挑戰固有的社會角色定位時，難免會受到來自極少數但依然存在的狹隘的男性沙文主義者的某些隱形的刁難。「你的存在就是對我的傷害。」比如，諾貝爾獎獲得者Tim Hunt在一次國際會議上開的那個著名的不著調的玩笑。雖然事後無論男女都爭相跳出來罵他，但是我覺得現實生活中他不是個例。女性科研工作者，作為學生時就有可能面臨導師的傾向性招生選擇，初入職場作為PI時又有可能在與他人合作時會被當成不必要的麻煩，漸入佳境取得一點成績之後，還會有少數人會傾向於猜測除了天賦和努力之外，這背後是否有什麼其他的因素。或者給你安上一個「滅絕師太」的「榮譽稱號」，揣測你平時肯定不顧家庭等等。長此以往，女性科研工作者就會被邊緣化。這種「另眼相待」其實是無言的、隱形的，將女性科研工作者的努力扼殺於無形。當然這不是普遍現象，相信大多數男同胞還是對我們照顧有加，對我們的成績也是樂見其成的。而且隨著社會風氣的進一步開化，固有的社會角色認定進一步被打破，這種不公平不公正的現象會越來越少，距離真正意義上的男女平等指日可待。

除此之外，一些女性也常常固化自己的社會定位。一方面認為女性應該在家庭生活中付出更多，男性應該更多地集中精力在外打拚；另一方面自己卻把事業停滯不前歸咎於家庭、孩子佔據了大量時間，導致無法繼續正常地從事科研工作。對這種態度，我並不認同。我個人倒是覺得家庭生活對男女來說是平等的，只是每個人在不同階段選擇把時間投入在哪裡有所區別。我認為每個人在人生不同階段有不同的選擇，把時間分配在不同的地方，都是有道理的，值得尊重的。成為好妻子、好媽媽並不阻礙我們同時成為優秀的科研工作者。如果阻礙的話，那我們也不妨選擇一下，然後認定這個選擇就不要再求全責備。其實也有一部分原因是社會認為女性很難兼顧做一位好妻子、好媽媽和一位優秀的科研工作者。實際上，我們可以做到，只是社會說我們做不到，有些人就此放棄了。總而言之，大多數時候，我們還是應該從自身找原因，而不是一味地找各種理由，因為如果科研工作做得確實不好，那麼所有的理由都只是理由，而不是解決問題的辦法。

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薛鵬：由量子理論轉向實驗，背後儘是辛酸