環(huán)球今亮點！導(dǎo)師4年幾乎沒來實驗室，95后博士生發(fā)了Science

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?！皯c祝什么？”他有點疑惑。后來才知道，導(dǎo)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(jīng)過1輪修改便被接收，論文于6月9日在Science上在線發(fā)表，喬宏是唯一的第一作者。

這項研究利用超導(dǎo)量子比特平臺，將連續(xù)的聲波分成一個一個的“聲子”，在此基礎(chǔ)上，他們開發(fā)了一種量子聲學(xué)分束器，試圖進(jìn)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(xué)分束器既可以誘導(dǎo)一個聲子的量子疊加態(tài)，也可以使兩個聲子呈現(xiàn)干涉現(xiàn)象。這項研究邁出了創(chuàng)建聲量子計算機的第一步。

有了這項成果，美國芝加哥大學(xué)27歲博士生喬宏或許可以申請?zhí)崆爱厴I(yè)。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(guān)”。

但他不打算這么做?！拔蚁Ｍ荛_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(dǎo)師之間的默契?！眴毯暾f。

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喬宏 受訪者供圖（除標(biāo)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(yǎng)方式，從大二起，他就曾在兩三個不同的課題組里輪轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)。大三暑假還得到了去芝加哥大學(xué)交流學(xué)習(xí)的機會。

2019年，他本科畢業(yè)后，來到芝加哥大學(xué)攻讀博士。初期還經(jīng)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(dǎo)量子計算?！眴毯暾f。

目前，人們對于光量子計算的研究進(jìn)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(dāng)前最優(yōu)經(jīng)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(jìn)一步，未來是否有望出現(xiàn)聲量子計算機呢？

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

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喬宏的導(dǎo)師Andrew Cleland

然而，這個參照光子分束器而設(shè)計出的聲子分束器并不完美?！肮庾涌梢员豢醋饕粋€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(shù)以萬億計的原子協(xié)同運動產(chǎn)生的?！眴毯暾f。

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?！币虼耍妙惐裙庾臃质髟O(shè)計的4端口（分別有2個輸入和輸出）聲子分束器，對聲子進(jìn)行“分裂”會是一個極其復(fù)雜的實驗。

創(chuàng)新想法被導(dǎo)師說“幼稚”，卻堅持論證

改進(jìn)分束器裝置的任務(wù)落到了喬宏的頭上。

這天，他又在研讀文獻(xiàn)，他想通過對現(xiàn)有實驗裝置的學(xué)習(xí)，獲得新的設(shè)計靈感。喬宏邊看邊與同學(xué)討論，頭腦風(fēng)暴般地，他提出了很多改進(jìn)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(dāng)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(dǎo)師后，“導(dǎo)師當(dāng)即就覺得很‘幼稚’，他站在質(zhì)疑者的角度，從各個方向提出了一大堆的疑問?！眴毯暾f。而在反復(fù)論證之后，他發(fā)現(xiàn)，這確實是個簡潔有效的設(shè)計思路。

量子力學(xué)認(rèn)為，物質(zhì)和能量都存在最小單位，單個聲子是不可分割的。

因此，當(dāng)喬宏將單個聲子發(fā)送到分束器時，它并沒有分裂，而是進(jìn)入了量子疊加狀態(tài)，即聲子同時被反射和傳輸?shù)臓顟B(tài)。研究人員的觀察（測量）會導(dǎo)致該量子態(tài)坍縮為兩個輸出之一，即被反射或被傳輸。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊證實，全新設(shè)計的分束器有助于聲子呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的量子糾纏態(tài)。

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

他們發(fā)現(xiàn)，疊加的輸出會發(fā)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(xiàn)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(xiàn)擦肩而過、各自原路返回的現(xiàn)象。

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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(cè)入射，紅色和藍(lán)色的聲子發(fā)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(jié)果證實，我們擁有構(gòu)建線性機械量子計算機所需的技術(shù)?！盇ndrew 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(tuán)隊

喬宏所在實驗室是個不折不扣的科研“小作坊”，加上導(dǎo)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(diào)控，聲子作為媒介的量子態(tài)傳輸，超導(dǎo)芯片間多比特糾纏態(tài)的確定性傳輸?shù)取?/p>

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課題組合照

與大團(tuán)隊里允許幾個人共同承擔(dān)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(fù)責(zé)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(shè)計、分析數(shù)據(jù)、修改文章等，主要由一個人負(fù)責(zé)。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(tuán)隊在競爭?！眴毯陮Α吨袊茖W(xué)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(jīng)受完整的科研訓(xùn)練。喬宏表示，“導(dǎo)師希望我們畢業(yè)后，都能擁有獨立的研究能力，這是他的培養(yǎng)宗旨?！?/p>

特別的導(dǎo)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(nèi)的維基百科，原始數(shù)據(jù)、實驗參數(shù)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(xué)生僅靠記錄便可學(xué)習(xí)、重復(fù)實驗?！?/p>

像他這次的課題，很多技術(shù)依賴于已經(jīng)畢業(yè)的師兄師姐的研究，“像聲子發(fā)射、接收的技術(shù)操作，我完全是根據(jù)實驗記錄進(jìn)行重復(fù)和學(xué)習(xí)的?！眴毯暾f。

他認(rèn)為，“科研并不是我的課題做完了、我畢業(yè)了就結(jié)束了，它是導(dǎo)師和我們一屆屆的學(xué)生,在一個方向上持續(xù)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?！?/p>

當(dāng)導(dǎo)師在早期階段把實驗規(guī)范、模式方法等建立起來，并帶領(lǐng)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(jīng)常讓學(xué)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(jìn)過實驗室，課題組依舊能夠保持高效穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

雖然真人不常出現(xiàn)，但他對學(xué)生的指導(dǎo)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(dǎo)大家的研究方向和進(jìn)展，會后還會一字一句地幫我們改文章?！眴毯暾f。

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(fā)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(yè)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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