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导师4年几乎没来实验室,95后芝加哥大学博士生乔宏发了Science
作者:刘如楠 | 2023/6/26 17:25:29 | 浏览:1614 | 评论:0

4月底,一次课题组开线上会议,乔宏迟到了几分钟。他听见大家在热情地讨论买酒庆祝的事情。“庆祝什么?”他有点疑惑。后来才知道,导师刚刚宣布乔宏的论文被Science接收了。

这让乔宏直呼,“没想到这么快!”这虽是他博士期间第一次重要投稿,却出乎意料地顺畅:今年年初投稿,2周后送审,2位审稿人的意见都很正面,仅经过1轮修改便被接收,论文于6月9日在Science上在线发表,乔宏是唯一的第一作者。

这项研究利用超导量子比特平台,将连续的声波分成一个一个的“声子”,在此基础上,他们开发了一种量子声学分束器,试图进一步分裂“声子”。

实验表明,“声子”与“光子”一样,也具有量子特性。量子声学分束器既可以诱导一个声子的量子叠加态,也可以使两个声子呈现干涉现象。这项研究迈出了创建声量子计算机的第一步。

有了这项成果,美国芝加哥大学27岁博士生乔宏或许可以申请提前毕业。毕竟通常需要6、7年才能完成的博士课题,他在第4年就喜获“通关”。

但他不打算这么做。“我希望能开启一个新的课题,让自己的科研能力更加扎实,这似乎是我和导师之间的默契。”乔宏说。

导师4年几乎没来实验室,95后芝加哥大学博士生乔宏发了Science

乔宏 受访者供图(除标注外下同)

找到自己最感兴趣的研究方向

如何找到自己最感兴趣的研究方向?乔宏的做法是:多尝试。

得益于北大的培养方式,从大二起,他就曾在两三个不同的课题组里轮转学习。大三暑假还得到了去芝加哥大学交流学习的机会。

2019年,他本科毕业后,来到芝加哥大学攻读博士。初期还经历了一年的“折腾”,“很难一上来就找到适合自己的课题,我尝试过理论物理、实验物理的几个不同方向,最终才确定自己对实验物理更感兴趣,尤其是声量子物理和超导量子计算。”乔宏说。

目前,人们对于光量子计算的研究进展迅速。近日,“九章”光量子计算原型机求解图论问题,比全球最快的超级计算机,使用当前最优经典算法,精确模拟同一实验的速度快约1.8亿倍。

而对于声波的最小单位——声粒子,是否具有和光粒子一样的特性呢?更进一步,未来是否有望出现声量子计算机呢?

这是乔宏的导师、芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授Andrew Cleland一直以来关注的问题。早在2020年,利用超导量子比特平台,他带领团队将声波分裂成了一个个的声子,实现了对单个声子的调控,并首次实现了两个声子之间的互相纠缠。利用声子分束器实现双声子的干涉,成为了课题组的下一个目标。

导师4年几乎没来实验室,95后芝加哥大学博士生乔宏发了Science

乔宏的导师Andrew Cleland

然而,这个参照光子分束器而设计出的声子分束器并不完美。“光子可以被看作一个点,它没有大小。而我们所说的声子,指的是在固体表面上传播的声波的最小单位,它有几百微米大,由数以万亿计的原子协同运动产生的。”乔宏说。

他解释,“就像我们往湖面上扔了一个石子,湖面会泛起涟漪,每一圈涟漪的横截面都很大,会带动成千上万水分子运动。声子也是如此。”因此,利用类比光子分束器设计的4端口(分别有2个输入和输出)声子分束器,对声子进行“分裂”会是一个极其复杂的实验。

创新想法被导师说“幼稚”,却坚持论证

改进分束器装置的任务落到了乔宏的头上。

这天,他又在研读文献,他想通过对现有实验装置的学习,获得新的设计灵感。乔宏边看边与同学讨论,头脑风暴般地,他提出了很多改进思路。

突然,有个想法一闪而过:“把4个端口减为2个?利用对称性让这2个端口既作输入端、又作输出端。”当他说出来的时候,自己都不敢相信:“难道会这么简单?

接下来一段时间,他都处在一种亢奋之中,把想法汇报给导师后,“导师当即就觉得很‘幼稚’,他站在质疑者的角度,从各个方向提出了一大堆的疑问。”乔宏说。而在反复论证之后,他发现,这确实是个简洁有效的设计思路。

量子力学认为,物质和能量都存在最小单位,单个声子是不可分割的。

因此,当乔宏将单个声子发送到分束器时,它并没有分裂,而是进入了量子叠加状态,即声子同时被反射和传输的状态。研究人员的观察(测量)会导致该量子态坍缩为两个输出之一,即被反射或被传输。在此基础上,团队证实,全新设计的分束器有助于声子呈现标准的量子纠缠态。

“有了单个声子的研究基础,我们自然想进一步探究,如果从两个相反的方向,向2个端口分别发射一个声子,会发生什么?”乔宏说。

他们发现,叠加的输出会发生干涉,两个声子总是一起移动,然后从同一端口输出,即“双声子干涉”现象。这就好比南北方向各走来一个人,碰面后,他们要么一起去南边、要么一起去北边,不会出现擦肩而过、各自原路返回的现象。

导师4年几乎没来实验室,95后芝加哥大学博士生乔宏发了Science

图说:实验装置:中心透明的“棱镜”是声子分束器,表面声波从分束器两侧入射,红色和蓝色的声子发生“双声子干涉”,分束器输出两两一组的声子,这是声量子计算和核心实验之一。图源自Peter Allen

“双声子干涉实验的成功是表明声子等同于光子的最后一步,结果证实,我们拥有构建线性机械量子计算机所需的技术。”Andrew Cleland说。这意味着,未来声子将可能成为混合量子计算机的一部分。

科研“小作坊”:一个人PK一个小团队

乔宏所在实验室是个不折不扣的科研“小作坊”,加上导师一共只有8名成员。然而,这个实验室却作出了许多重要的科研成果:如机械腔中单个声子的调控,声子作为媒介的量子态传输,超导芯片间多比特纠缠态的确定性传输等。

导师4年几乎没来实验室,95后芝加哥大学博士生乔宏发了Science

课题组合照

与大团队里允许几个人共同承担一个课题不同,这样的“小作坊”意味着每个人必须独立面对一个完整的课题,而为了涉及更多的研究方向,大家的研究重心各不相同。

“在有的课题组,每个人只需要负责某一部分的工作,最终由3、5个人合作完成研究。而我们组,从最初的想法、实验设计、分析数据、修改文章等,主要由一个人负责。这样一来,我们的竞争压力会很大,很多时候可能是一个人与同行的一个小团队在竞争。”乔宏对《中国科学报》说。

他也坦言,“组里并不是每个人都这么幸运,有的课题需要花更长的时间,也可能被其他课题组率先完成”。

这看起来似乎不如“各司其职”式的模式更加高效,然而其最大的好处是:每个人都能经受完整的科研训练。乔宏表示,“导师希望我们毕业后,都能拥有独立的研究能力,这是他的培养宗旨。”

特别的导师:几乎不来实验室,一周却要开3次组会

实验室的另一个特色是详尽的实验流程记录。乔宏介绍,“我们每一个实验步骤都需要以最简洁的方式记录到组内的维基百科,原始数据、实验参数等也会同步自动备份,目的是为了尽可能减少人力成本,让新来的学生仅靠记录便可学习、重复实验。”

像他这次的课题,很多技术依赖于已经毕业的师兄师姐的研究,“像声子发射、接收的技术操作,我完全是根据实验记录进行重复和学习的。”乔宏说。

他认为,“科研并不是我的课题做完了、我毕业了就结束了,它是导师和我们一届届的学生,在一个方向上持续几十年的投入和努力,所以实验室长期形成的传承文化特别重要。”

当导师在早期阶段把实验规范、模式方法等建立起来,并带领大家形成了良好的“传帮带”氛围后,他便可以“偷得清闲”:即使身在国外好几个月,经常让学生们捕捉不到踪影,甚至在乔宏读博士的4年间几乎没踏进过实验室,课题组依旧能够保持高效稳定运转。

虽然真人不常出现,但他对学生的指导一点儿也不少,“我们有时一周要开3次组会,很多时候是在线上,他会非常耐心地指导大家的研究方向和进展,会后还会一字一句地帮我们改文章。”乔宏说。

而在线下的实验室里,乔宏觉得,大家更多的时候是“自我激励”:自己给自己打鸡血。

成果顺利发表后,乔宏最想做的事是回国、回家看看。由于疫情等原因,从读博起,他就没回过家,如今博士毕业有望,他终于可以一身轻松地回去陪陪父母了。

相关论文信息:

1.   http://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8715

2.   Satzinger, K. J. et al. Quantum control of surface acoustic-wave phonons. Nature 563, 661–665(2018).

3.   Bienfait, A. et al. Phonon-mediated quantum state transfer and remote qubit entanglement. Science 364, 368–371(2019).

4.   Bienfait, A. et al. Quantum Erasure Using Entangled Surface Acoustic Phonons. Phys. Rev. X 10, 021055(2020).

5.   O’Connell, A. D. et al. Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator. Nature 464, 697–703(2010).

6.   Zhong, Y. et al. Deterministic multi-qubit entanglement in a quantum network. Nature 590, 571–575(2021).

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