環球今亮點！導師4年幾乎沒來實驗室，95后博士生發了Science

2023-06-25 18:07:04 來源: 中國科學報

4月底，一次課題組開線上會議，喬宏遲到了幾分鐘。他聽見大家在熱情地討論買酒慶祝的事情。“慶祝什么？”他有點疑惑。后來才知道，導師剛剛宣布喬宏的論文被Science接收了。

(資料圖)

這讓喬宏直呼，“沒想到這么快！”這雖是他博士期間第一次重要投稿，卻出乎意料地順暢：今年年初投稿，2周后送審，2位審稿人的意見都很正面，僅經過1輪修改便被接收，論文于6月9日在Science上在線發表，喬宏是唯一的第一作者。

這項研究利用超導量子比特平臺，將連續的聲波分成一個一個的“聲子”，在此基礎上，他們開發了一種量子聲學分束器，試圖進一步分裂“聲子”。

實驗表明，“聲子”與“光子”一樣，也具有量子特性。量子聲學分束器既可以誘導一個聲子的量子疊加態，也可以使兩個聲子呈現干涉現象。這項研究邁出了創建聲量子計算機的第一步。

有了這項成果，美國芝加哥大學27歲博士生喬宏或許可以申請提前畢業。畢竟通常需要6、7年才能完成的博士課題，他在第4年就喜獲“通關”。

但他不打算這么做。“我希望能開啟一個新的課題，讓自己的科研能力更加扎實，這似乎是我和導師之間的默契。”喬宏說。

喬宏受訪者供圖（除標注外下同）

找到自己最感興趣的研究方向

如何找到自己最感興趣的研究方向？喬宏的做法是：多嘗試。

得益于北大的培養方式，從大二起，他就曾在兩三個不同的課題組里輪轉學習。大三暑假還得到了去芝加哥大學交流學習的機會。

2019年，他本科畢業后，來到芝加哥大學攻讀博士。初期還經歷了一年的“折騰”，“很難一上來就找到適合自己的課題，我嘗試過理論物理、實驗物理的幾個不同方向，最終才確定自己對實驗物理更感興趣，尤其是聲量子物理和超導量子計算。”喬宏說。

目前，人們對于光量子計算的研究進展迅速。近日，“九章”光量子計算原型機求解圖論問題，比全球最快的超級計算機，使用當前最優經典算法，精確模擬同一實驗的速度快約1.8億倍。

而對于聲波的最小單位——聲粒子，是否具有和光粒子一樣的特性呢？更進一步，未來是否有望出現聲量子計算機呢？

這是喬宏的導師、芝加哥大學普利茲克分子工程學院教授Andrew Cleland一直以來關注的問題。早在2020年，利用超導量子比特平臺，他帶領團隊將聲波分裂成了一個個的聲子，實現了對單個聲子的調控，并首次實現了兩個聲子之間的互相糾纏。利用聲子分束器實現雙聲子的干涉，成為了課題組的下一個目標。

喬宏的導師Andrew Cleland

然而，這個參照光子分束器而設計出的聲子分束器并不完美。“光子可以被看作一個點，它沒有大小。而我們所說的聲子，指的是在固體表面上傳播的聲波的最小單位，它有幾百微米大，由數以萬億計的原子協同運動產生的。”喬宏說。

他解釋，“就像我們往湖面上扔了一個石子，湖面會泛起漣漪，每一圈漣漪的橫截面都很大，會帶動成千上萬水分子運動。聲子也是如此。”因此，利用類比光子分束器設計的4端口（分別有2個輸入和輸出）聲子分束器，對聲子進行“分裂”會是一個極其復雜的實驗。

創新想法被導師說“幼稚”，卻堅持論證

改進分束器裝置的任務落到了喬宏的頭上。

這天，他又在研讀文獻，他想通過對現有實驗裝置的學習，獲得新的設計靈感。喬宏邊看邊與同學討論，頭腦風暴般地，他提出了很多改進思路。

突然，有個想法一閃而過：“把4個端口減為2個？利用對稱性讓這2個端口既作輸入端、又作輸出端。”當他說出來的時候，自己都不敢相信：“難道會這么簡單？

接下來一段時間，他都處在一種亢奮之中，把想法匯報給導師后，“導師當即就覺得很‘幼稚’，他站在質疑者的角度，從各個方向提出了一大堆的疑問。”喬宏說。而在反復論證之后，他發現，這確實是個簡潔有效的設計思路。

量子力學認為，物質和能量都存在最小單位，單個聲子是不可分割的。

因此，當喬宏將單個聲子發送到分束器時，它并沒有分裂，而是進入了量子疊加狀態，即聲子同時被反射和傳輸的狀態。研究人員的觀察（測量）會導致該量子態坍縮為兩個輸出之一，即被反射或被傳輸。在此基礎上，團隊證實，全新設計的分束器有助于聲子呈現標準的量子糾纏態。

“有了單個聲子的研究基礎，我們自然想進一步探究，如果從兩個相反的方向，向2個端口分別發射一個聲子，會發生什么？”喬宏說。

他們發現，疊加的輸出會發生干涉，兩個聲子總是一起移動，然后從同一端口輸出，即“雙聲子干涉”現象。這就好比南北方向各走來一個人，碰面后，他們要么一起去南邊、要么一起去北邊，不會出現擦肩而過、各自原路返回的現象。

圖說：實驗裝置：中心透明的“棱鏡”是聲子分束器，表面聲波從分束器兩側入射，紅色和藍色的聲子發生“雙聲子干涉”，分束器輸出兩兩一組的聲子，這是聲量子計算和核心實驗之一。圖源自Peter Allen

“雙聲子干涉實驗的成功是表明聲子等同于光子的最后一步，結果證實，我們擁有構建線性機械量子計算機所需的技術。”Andrew Cleland說。這意味著，未來聲子將可能成為混合量子計算機的一部分。

科研“小作坊”：一個人PK一個小團隊

喬宏所在實驗室是個不折不扣的科研“小作坊”，加上導師一共只有8名成員。然而，這個實驗室卻作出了許多重要的科研成果：如機械腔中單個聲子的調控，聲子作為媒介的量子態傳輸，超導芯片間多比特糾纏態的確定性傳輸等。

課題組合照

與大團隊里允許幾個人共同承擔一個課題不同，這樣的“小作坊”意味著每個人必須獨立面對一個完整的課題，而為了涉及更多的研究方向，大家的研究重心各不相同。

“在有的課題組，每個人只需要負責某一部分的工作，最終由3、5個人合作完成研究。而我們組，從最初的想法、實驗設計、分析數據、修改文章等，主要由一個人負責。這樣一來，我們的競爭壓力會很大，很多時候可能是一個人與同行的一個小團隊在競爭。”喬宏對《中國科學報》說。

他也坦言，“組里并不是每個人都這么幸運，有的課題需要花更長的時間，也可能被其他課題組率先完成”。

這看起來似乎不如“各司其職”式的模式更加高效，然而其最大的好處是：每個人都能經受完整的科研訓練。喬宏表示，“導師希望我們畢業后，都能擁有獨立的研究能力，這是他的培養宗旨。”

特別的導師：幾乎不來實驗室，一周卻要開3次組會

實驗室的另一個特色是詳盡的實驗流程記錄。喬宏介紹，“我們每一個實驗步驟都需要以最簡潔的方式記錄到組內的維基百科，原始數據、實驗參數等也會同步自動備份，目的是為了盡可能減少人力成本，讓新來的學生僅靠記錄便可學習、重復實驗。”

像他這次的課題，很多技術依賴于已經畢業的師兄師姐的研究，“像聲子發射、接收的技術操作，我完全是根據實驗記錄進行重復和學習的。”喬宏說。

他認為，“科研并不是我的課題做完了、我畢業了就結束了，它是導師和我們一屆屆的學生,在一個方向上持續幾十年的投入和努力，所以實驗室長期形成的傳承文化特別重要。”

當導師在早期階段把實驗規范、模式方法等建立起來，并帶領大家形成了良好的“傳幫帶”氛圍后，他便可以“偷得清閑”：即使身在國外好幾個月，經常讓學生們捕捉不到蹤影，甚至在喬宏讀博士的4年間幾乎沒踏進過實驗室，課題組依舊能夠保持高效穩定運轉。

雖然真人不常出現，但他對學生的指導一點兒也不少，“我們有時一周要開3次組會，很多時候是在線上，他會非常耐心地指導大家的研究方向和進展，會后還會一字一句地幫我們改文章。”喬宏說。

而在線下的實驗室里，喬宏覺得，大家更多的時候是“自我激勵”：自己給自己打雞血。

成果順利發表后，喬宏最想做的事是回國、回家看看。由于疫情等原因，從讀博起，他就沒回過家，如今博士畢業有望，他終于可以一身輕松地回去陪陪父母了。

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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