武光磊

世界變幻莫測，科學向喜愛它的人們展開巨大的懷抱。19世紀末20世紀初，量子論和相對論的出現(xiàn)使當代物理學的研究多了兩個新的方向。相對聞名遐邇的愛因斯坦相對論，量子世界就像另一片深邃寬廣的星空，讓這條路上的科學家們樂此不疲。盡管著名物理學家費曼曾說：“沒有人真正了解量子力學?！辈贿^，這并沒有阻止科學家們前進的步伐，從普朗克發(fā)現(xiàn)量子力學開始，科學家們爭先恐后，愛因斯坦、玻爾、海森堡、以至后來薛定諤用量子力學思維做了一個“薛定諤貓”的思想實驗。

和大量繁復的數(shù)字、沒有盡頭的實驗相比，對未知產(chǎn)生的好奇，才是科研路上最大的動力。目前，量子力學還存在有很多未解謎題，不過，已經(jīng)有人在研究量子理論這條道路上越走越開闊，而且他出發(fā)得比一般人還早。他就是北京航空航天大學博士生導師——張國鋒教授。

神秘大門透出的亮光

1999年山西大學本科畢業(yè)后，張國鋒師從梁九卿教授進行碩博連讀的學習。當時我國對量子信息的研究基本處于萌芽階段，梁九卿教授認為這將會是一個新的研究方向，在張國鋒的師兄師姐都跟著老師做磁宏觀量子效應研究的時候，老師毅然決定讓他去湖南師范大學的暑期班里學習和量子理論相關(guān)的知識，量子信息這道神秘的大門緩緩打開。

張國鋒本碩博就讀的山西大學物理電子工程學院師資雄厚、設備齊全。碩博連讀期間，為拓展視野、豐富知識，他還專門前往中國科學院學習。在交通落后的情況下，北京、山西兩頭跑，校內(nèi)扎實的基礎知識以及校外新的理論知識的加固，使得張國鋒在量子信息基礎研究方面有了很大的提升。對張國鋒的聯(lián)合培養(yǎng)，中國科學院也承擔著重要的角色，博士畢業(yè)后，張國鋒到中國科學院半導體研究所進行博士后研究工作，在李樹深院士的指導下，張國鋒的研究興趣進一步拓寬到基于固態(tài)體系為載體的量子信息研究。從2006年到北京航空航天大學任教以來，更是把他的研究方向細化到光力耦合體系的量子物理相關(guān)問題。

在量子相關(guān)研究中，量子調(diào)控是國家的重大科研計劃，是構(gòu)建未來信息技術(shù)的理論基礎。張國鋒圍繞“如何制備、控制及應用具有高魯棒性的量子糾纏態(tài)”這一科學問題展開了具體細致的工作，并取得了不錯的成績。

量子糾纏是量子力學的最神奇的特性之一。它描述了兩個粒子互相糾纏，即使相距遙遠，一個粒子的行為將會影響另一個的狀態(tài)。張國鋒形象地解釋了量子糾纏：“就像是手機用戶和移動聯(lián)通等簽的協(xié)議，也就是手機卡，當兩個粒子處于糾纏態(tài)，只有借助這個協(xié)議（糾纏態(tài)），才能進行量子通信?！鼻籓ED系統(tǒng)是目前最有前景的硬件系統(tǒng)之一，它被廣泛地應用于量子態(tài)的制備和操控。為此，張國鋒系統(tǒng)考察了旋波近似下腔OED體系中的量子糾纏、量子關(guān)聯(lián)的產(chǎn)生與演化以及與量子相位之間的聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)：量子糾纏猝死現(xiàn)象不僅依賴于體系初始態(tài)的糾纏，而且還依賴于初始態(tài)，且原子間偶極一偶極相互作用可以削弱這種現(xiàn)象，光場的損耗可以很明顯地延緩糾纏猝死。張國鋒在此基礎上就固態(tài)自旋體系提出了一套抑制量子糾纏猝死和量子態(tài)傳輸?shù)膬?yōu)化方案。

眾所周知，實現(xiàn)量子信息處理的必需資源是量子糾纏態(tài)。而量子糾纏態(tài)是非常脆弱的，張國鋒在前人研究工作的基礎上進一步探討了固態(tài)兩量子比特自旋模型中的熱糾纏，將自旋所處磁場分為均勻和非均勻兩部分，發(fā)現(xiàn)磁場的非均勻部分使量子糾纏的演化出現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，也詳細研究了Heisenberg交換相互作用對量子熱糾纏的臨界行為的影響。隨后更引發(fā)了國內(nèi)外關(guān)于量子熱糾纏的研究。

Dzyaloshinski-Moriya（DM）相互作用來自自旋軌道之間的耦合，是一種各項異性相互作用，在許多磁性材料中都存在。張國鋒將DM相互作用引入兩自旋量子比特鏈中，結(jié)合Heisenberg相互作用研究了DM相互作用對量子熱糾纏的影響，發(fā)現(xiàn)DM相互作用可以激發(fā)量子熱糾纏的產(chǎn)生，可以使鐵磁耦合的自旋體系成為好的量子態(tài)傳輸?shù)耐ǖ?，且能顯著提高態(tài)傳輸?shù)谋Ｕ娑?。以這一研究成果為代表的論文獲得“中國百篇最具影響國際學術(shù)論文”，被引150多次，為ESI高引論文。與此同時，張國鋒把自己的研究推廣到量子關(guān)聯(lián)，得到一些量子關(guān)聯(lián)度量量間的因子化公式，同時也比較了量子關(guān)聯(lián)和量子糾纏在實現(xiàn)量子算法、構(gòu)建量子邏輯門的異同。

神秘的量子世界透出的光讓張國鋒雀躍不已，他飽含熱情地走在研究量子世界的大道上，默默耕耘，靜靜享受這神秘帶來的不一樣的世界。

光亮指引前進的方向

一分耕耘一分收獲。張國鋒在量子研究這條道路上不僅收獲了具有創(chuàng)新意義的科研成果，而且多次主持包括國家自然科學基金青年基金、面上基金等項目在內(nèi)的多項科研項目；發(fā)表多篇代表性論文，并多次被他引；在教學上成果也很顯著，多次獲得各種校內(nèi)優(yōu)秀教師獎勵。

但是張國鋒并沒有止步于此，神秘的量子世界還等待著他去進一步破解其中的奧秘，在長期量子光學基礎理論、自旋模型中量子糾纏、量子關(guān)聯(lián)動力學研究的相關(guān)基礎上，依托北航和中科院的兩個重點實驗室和三個重量級的研究團隊共同合作，將就全耦合區(qū)量子比特與光場動力學行為及應用這一熱點問題展開深入研究。

構(gòu)造量子比特是量子信息處理的首要，實現(xiàn)量子比特有很多種物理方案，量子比特與光場相互作用體系是量子光學甚至凝聚態(tài)物理的一個重要研究內(nèi)容，同時也是實現(xiàn)量子計算的重要途徑。看見量子世界發(fā)出的神秘的光，張國鋒對接下來的工作重心有了清晰的規(guī)劃：（1）進一步求解兩量子比特與光場相互作用強耦合體系的動力學演化，尤其是兩個量子比特的閂abi模型的近似求解；（2）根據(jù)系統(tǒng)演化性質(zhì)，選擇合適的初始條件和反應時間，構(gòu)建超快兩量子比特邏輯門和進行相干量子態(tài)的超快傳輸?shù)妊芯?；?）尋找新奇的特殊量子本征態(tài)，并通過研究包括耗散在內(nèi)的動力學，考察這些具有特殊性質(zhì)的量子態(tài)（比如：暗態(tài)）在量子信息中的應用。張國鋒不僅把自己接下來的工作定位在這三方面，還就這三方面的研究擬定了初步研究方案。

將選取量子比特與光場相互作用體系為研究對象，屬量子光學及凝聚態(tài)物理以及其它許多領域廣泛應用的模型，尤其是近年來隨著強耦合在實驗上的實現(xiàn)，Rabi及類Rabi模型的簡潔易實驗參考的解和長時間動力學及相關(guān)應用的研究更顯得日益重要。張國鋒打算通過研究，得到全耦合區(qū)體系動力學演化規(guī)律，尋求特殊的類似“暗態(tài)”的新奇量子態(tài)，并預測其在量子信息中的應用，最終為設計新型量子器件提供理論支持。

張國鋒沿著光亮繼續(xù)研究的同時，并沒有忘記當初幫自己打開神秘大門的老師，一路走來，師恩難忘，情誼深厚，自己的科研興趣越來越濃。所以他在教導自己學生時，很看重學生的興趣點，并且要求學生誠信，因為他認為誠信是科研人員首要的素質(zhì)。不僅領導學生做理論研究，心里裝著研究項目，而且鼓勵學生“走出去”展示自己的成果，進行學術(shù)的交流。閑暇時間，張國鋒更能和學生打成一片，是亦師亦友的好榜樣。

費爾巴哈曾說“理論所不能解決的那些疑難，實踐會給你解決。”在為接下來的工作努力的同時，張國鋒也深刻意識到：只做基礎研究，學生的興趣度不高，而且和實驗的結(jié)合度不緊密?！爸挥袑⒗碚摵蛯嵺`更好地結(jié)合，才是當代科研最‘接地氣的方式?！背@一目標，他會在神秘的量子世界里繼續(xù)探尋。