薛鹏：从理论到实验的转型

刘玉杰

21世纪是信息化时代，人类社会的飞速发展要求计算机处理信息的能力不断提高，而传统的信息技术已无法满足人类的需求。于是，量子信息学应运而生。

量子信息学是量子物理与信息科学相融合的新兴交叉学科，有着传统的信息技术不可比拟的优越性，已经成为信息技术新的革命性发展方向，被国际上公认是21世纪涉及物理学、材料学、信息学等多学科交叉的最活跃、最重要的研究领域之一。

东南大学的薛鹏教授多年来致力于量子信息和量子光学的研究，成果卓然。而2013年从理论到实验的学术转型更是拓宽了其在量子领域的研究广度，使其对量子物理愈加融会贯通。

“别人能做到的我也可以”

“学好数理化，走遍天下都不怕。”高中时的薛鹏对此深信不疑，并对物理产生了浓厚的兴趣。1995年，薛鹏考入中国科学技术大学物理系，进一步学习物理知识。随后，薛鹏获取提前一年毕业并免试研究生资格，师从郭光灿院士，并取得博士学位。博士毕业之后，薛鹏申请在国外的量子信息和量子光学研究中心进一步学习，先后在奥地利的因斯布鲁克大学和加拿大的卡尔加里大学从事博士后工作。

2009年7月，在国外学习5年的薛鹏选择回国，并作为引进人才加入东南大学。“回国是理所当然的，我从未想过要在国外久居。”薛鹏说：“该学的知识都学到了以后，回国多陪陪父母家人，是我当时最主要的想法。”

东南大学以工科见长，物理系科研力量相对薄弱。初回国的薛鹏研究的依然是量子物理的理论方向，但物理是实验的学科，很多物理现象的发现和验证都离不开实验。而“作为理论物理学家，与实验物理学家合作时，发现很多理论的想法由于实验条件所限无法实现”。且在量子物理方面，“实验得出的成果往往更能得到认可，也就可以带来更多的经费支持”。为了更好地验证量子物理的理论，薛鹏决定在实验物理方向“试一试”。

少年时起，薛鹏就属于“聪明孩子”那一类，年少懵懂的她认为只有理论物理的难度才能体现出自己的天资。从1999年读研开始，薛鹏一直从事的是量子物理的理论研究。2013年，不管是薛鹏的学术年龄还是她自身的年纪都不算小了，薛鹏坦言，从理论转到实验，她曾有过挣扎。但她从来不是一个轻易认输的人。薛鹏坚信一点：“别人可以做到的我也一定可以！”

从理论到实验的“华丽”转身

2013年下半年，薛鹏开始负责建设东南大学量子光学实验平台，正式转向实验物理方向，初步建成科研平台。目前，薛鹏所在的实验室拥有飞秒激光器、半导体激光器、单光子探测器、八通路数字信号符合仪等实验仪器，对量子行走这一课题开展了开创性和系统性的实验研究。

2015年，薛鹏课题组率先观测到量子行走中光信息的传播扩散与恢复现象，并且在国际知名学术期刊Physical Review Letters上发表了相关的实验论文。

量子行走在量子计算中有着广泛的应用，如利用量子行走开发的针对无序数据库的搜寻算法等。那么，量子行走是否能够应用于量子通信呢？这主要取决于量子行走中是否存在信息的传播与恢复。

而薛鹏观测发现，携带信息的量子行走者可以在任意的偶数演化时间后恢复至初始状态，在此之前依然遵从量子行走的扩散规律。这一理论的提出及实验的验证颠覆了人们以前对量子行走的认识，并为量子行走在量子信息中的应用提供了新的方向，为理解基于量子力学的动力学演化的基本现象提供了新的视角，同时也为研究量子扩散及对拓扑现象的量子模拟提供了新的思路。

凭借在实验方向有如此重大的发现，薛鹏在短短一年半的时间内实现了从理论到实验的“华丽”转身。但这转身背后，却是“步步艰难”。

薛鹏回忆道：“一共有三个方面的问题。首先是实验用房，其次是人员，最后是经费。”实验用房是最难解决的问题，薛鹏说，空间的狭小、建设的滞后使得实验举步维艰。除此之外，生源的有限和经费的欠缺也使薛鹏这“华丽的转身”异常艰难。

“当初经费非常紧缺，连基础的实验仪器和材料都无法购齐。所幸后来系里支援了36万，作为购买第一批仪器的钱，这笔钱直接坚定了我做实验的决心。”薛鹏对物理系给予的支持抱有深深的感激，但经费的紧张也让她有所感悟：“有钱就做有钱的事儿，没钱也可以做没钱的事儿，做实验不一定非要那么多经费。经费不足的时候，我们可以从巧思方面去突破。总有一个方向你可以找到，突破了之后就柳暗花明了。”

薛鹏补充道，对人生做出改变，什么时候都不算晚。她谦虚地表示，“现在看来，我的转型不见得多成功，但至少没有失败。”

在实验领域佳音频传

1982年，诺贝尔物理奖得主理查德·费曼在一个公开的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的新奇想法。紧接其后，1985年，英国物理学家大卫·杜斯提出了量子图灵机模型。理查德·费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少。就这样，量子计算机的概念诞生了。

当前量子信息科学与技术的核心发展目标，是实现长程的量子通信和通用的量子计算机。经过多年的研究和发展，在量子通信方面，人们已经能够很好地利用量子态来建立经典信息关联，且这一技术已经向着实用化的方向发展。而量子计算的终极目标是实现真正意义上的量子计算机。要想实现这一目标，还有很长的路要走。

薛鹏课题组现阶段承担的主要是国家自然科学基金的项目“全光量子信息处理器的实验研究”。这个项目拟将全光量子信息处理器应用于量子通信和量子计算两个方面。一方面，对于实用化的量子通信课题，该项目着重研究利用量子信息技术提高信道容量的理论和实验实现。另一方面，针对量子计算，薛鹏将从软件和硬件两个方面进行研究。“硬件方面着重研制多比特量子逻辑门操作，实现量子测量及量子模拟等任务；软件方面则利用量子信息处理器实现基于量子随机行走的量子算法，去计算一些经典计算机很难解决的问题。”

目前，薛鹏课题组用线性光学体系首次在实验上实现了基于量子行走的正定算符测量。通过依赖光子空间模式的量子行走演化，薛鹏构建了正定算符测量的测量算符，成功地对非正交态进行了最优化的无差错态识别。这一理论的提出及实验的验证颠覆了人们以前对量子行走的应用的单一认识，为量子行走在量子计量学中的应用提供了新的方向，为理解基于量子力学的基本原理提供了新的工具——广义测量及钝化测量，同时也为研究量子信道和量子保密通信提供了新的思路。

“全光量子信息处理器除了量子计算和量子通信，还包括利用量子关联的性质验证量子力学基础理论，我们在此方向也做了很多深入的研究。”薛鹏说，她所在的课题组首次在实验中观测到非定域性和互文性这两种量子特性之间存在此消彼长的monogamy关系，从而提供直接证据揭示量子纠缠是一种普适的资源。“这个实验刷新了人们对于量子纠缠的传统认识，首次提出量子纠缠作为一种更普适的量子资源，非定域性和互文性的验证都将耗费这种资源，证明了‘非定域性和互文性是同一实在性的两种不同表示这一全新的观点。”

对于薛鹏来说，目前的研究工作已经有了诸多进展：在Physical Review Letters等国际知名学术期刊上发表了多篇学术论文，且获得了江苏省杰出青年基金项目的支持。这让她对接下来的实验工作有了更多的信心。“下一步除了量子关联的验证方面，我希望做一些更有应用前景的工作，比如开发基于量子行走的真正普适的量子信息处理平台，同时处理量子计算和通信任务。”薛鹏补充道：“目前的量子信息处理器只能处理量子计算任务或通信任务的一种，而对于追求‘大统一的物理学家来说，实现更普适的量子信息处理平台才是最终目标。”

对于薛鹏来说，现阶段的她不用顾虑家庭，生活的重心都在工作上，对待科研可谓“衣带渐宽终不悔”。而从理论到实验的探索也使她更为明确自身的科研方向，相信她在这条转型道路上会越走越好。