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因为热爱,这位化学本科生拿到国际竞赛量子项目冠军 | 我在西湖读博士
我在西湖读博士
沈笑言 公共事务部 2020年12月22日
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公共事务部

当你走进西湖大学理学院2019级博士生曹骏辉的办公室,最先映入眼帘的,是一大摞整齐地叠放在书桌上的物理书,在这个自制电脑架的最上方,是一台黑色笔记本电脑。桌面的两侧,散落着不少英文材料。在房间不起眼的角落里,有一只足球,轻轻靠着桌脚。

就在这个简单的工作空间里,曹骏辉,刚刚赢得了一场国际竞赛——2020年金砖国家未来技能挑战赛(Future Skills Camp)的量子项目冠军。

接下来要说的事可能会让你有些惊讶:这位对物理展现出无限热爱、还有点“小天赋”的少年,本科期间学的其实是化学。你或许会问,跨专业做科研一定挺难的吧?他的回答让人眼前一亮:“我觉得喜欢的话,就不会有什么困难。”

曹骏辉获得的冠军证书


量子科技比赛,究竟在比什么?

今年的比赛由俄罗斯青年专业人员联盟主办,涉及量子科技、机器人等19个有关未来科技的领域。曹骏辉参加的量子科技竞赛主要考验参赛者在量子计算和量子通讯两个领域的技能。如今,这些名词经常出现在大众的视野里,但是它们究竟是什么?

量子计算,主要是基于量子的“叠加态”和“坍缩”两个特性。何为“叠加态”?请想象在一个密闭的鞋盒里放着一只鞋,在我们熟知的世界里,它要么是左脚,要么是右脚。但是,在量子的世界里,只要我们不打开鞋盒查看,这只鞋就可能同时是左脚和右脚,或是“10%左脚、90%右脚”……总之,它同时拥有多种状态,是所有可能性的集合——这就是“叠加态”。不过,一旦我们把鞋盒打开,鞋子呈现出的就只能是我们在那一刻看到的状态——“一旦进行检测,叠加态就会消失”,这种情况在量子世界里被命名为“坍缩”。

“一个拥有‘叠加态’的量子系统,本身已蕴含了所有的计算结果。在量子计算比赛的部分,我要做的就是设计算法和电路,并用它们检测这个系统。一旦检测,系统就会‘坍缩’到一个态,如果这个态正是我需要的,那么就证明我的算法和电路是有效的。”

曹骏辉还介绍道,像我们现在用的电脑、手机等电子设备,它们的运算都是以比特(bit)为基本单位的二进制,“一个传统比特非0即1”。然而,一个量子比特(qubit)是0和1以及所有概率可能的叠加。现在世界上已有50个量子比特的计算机,它解决某些特定问题时,效率是经典计算机无法比拟的——如果一个量子电路有50个量子比特,与其计算能力等效的经典电路就需要有250个比特,后者是一个让人难以想象的天文数字。


曹骏辉


那“量子通讯”又是什么?请再想象:有A、B两只鞋,分别位于两个不同的地方,二者通过某种相互作用关联在一起。在打开鞋盒前,它们各自的状态都无法确定,但是当A鞋被打开鞋盒、并“坍缩”成一种状态的那一刻,B鞋的状态同样能被确定下来,这种现象就是“量子纠缠”,是量子通讯的基础之一。

曹骏辉解释道,由于量子的随机性和会“坍缩”的特性,一旦有第三方对通讯进行监测,必定会产生干扰,所以量子通讯最大的优点是保密性特别高。他在比赛中要做的,就是去设计一套有效的量子通讯系统,并从加密、信号保真等几个方面对自己的系统进行评估。


跨专业,他在西湖大学得到了支持

看着这位一谈起物理就打开话匣子的少年,很难想象,距离他从浙江大学化学工程专业本科毕业,才不过一年半。原本,他既喜欢物理,也喜欢化学,但是在科研学习后,他发现自己对物理更感兴趣。在即将毕业时,面对未来不同的选择,他有过犹豫,却从未忘记过自己的初心:他希望在研究生阶段能够延续自己从小对物理的热爱。

但是,这份坚持并不容易。“不管是考研还是出国,跨专业都非常难,有很多学校在研究生阶段不接受跨专业的学生。”曹骏辉说。

因为平时他对科研新闻十分关注,所以很早就听说了西湖大学。深入了解后,他发现西湖大学强调学科交叉,也非常欢迎跨学科的学生来西湖,探索自己感兴趣的领域。

让他更为向往的,是在西湖任职的那些物理“大佬”们。“比如我的导师,Alexey Kavokin,他世界顶尖的理论物理学家。来之前我通过邮件和Kavokin老师沟通过,虽然我本科不是物理专业,但他非常欢迎我去他的课题组学习。”于是,毫不犹豫、并且毫无顾虑地,曹骏辉提交了西湖大学的博士申请。

讲座、组会、课堂……来到西湖大学后,曹骏辉没有放过任何一个提升自己的机会,很快打下了扎实的物理基础。经过一年多的努力后,物理,已然成为了他与世界沟通的语言;而这次的竞赛冠军,正是对他的努力最好的肯定。

他也一直在找机会,想把自己的经历分享给正在面临选择的学弟学妹们:“西湖大学的很多前沿研究对于刚毕业的本科生来说,都是陌生的领域。所以,你不需要担心没有相关背景,因为所有人都站在同一条起跑线上。只要喜欢,都可以来试一试。”


如今,他成了导师的“一号迷弟”

看到标题,你或许会问,为什么偏偏是“一号”?

一方面,毫无疑问,因为曹骏辉对导师Kavokin教授十分崇拜。另一个原因更为特别:曹骏辉是Kavokin教授在西湖大学招的第一名博士生,算是“Kavokin西湖师门”的“大师兄”。

来自俄罗斯的Alexey Kavokin教授是世界顶尖的极化激元专家,也是西湖大学理学院国际极化激元研究中心(ICP)的主任。极化激元是一个前沿的交叉学科,在凝聚态物理和光学之间建立了一条纽带。曹骏辉补充介绍,ICP所提供的机会和资源非常多,他在这儿接受的训练不仅聚焦光学和凝聚态物理,量子计算也是很重要的一部分。从最开始的写代码、设计程序,到学习用传递矩阵计算光谱,再后来,难度一点点增加……他一步步踩着导师在前方留下的“脚印”,遇见了物理世界带给他的无数“惊喜”。

还记得曹骏辉桌上的那一大摞厚厚的物理书吗?其中有一本是他的最爱,正是Kavokin教授的著作——Microcavities(《光学微腔》)。他把这本书称为一本“百科全书式的教科书”:“只要跟着这本书去学习,你就能成为极化激元的‘专家’。”


国际极化激元研究中心成员合影

Alexey Kavokin教授(前排右二)

曹骏辉(后排左一)


除了专业知识,曹骏辉从导师那儿还得到了不少有关科研方法与心态的建议。他受益最多的两个关键词,就是“自由”与“自主”:“Kavokin老师经常鼓励我做自己感兴趣的研究。除了他布置我做的量子可视化工作以外,我目前还在关注理论计算方面的知识,比如最近很热门的拓扑。他也总是鼓励我独立思考,比如,在研究某个物理现象时,为什么调某个特定的参数,就会发生某种变化?他总说,这需要我自己去独立判断、探索。”

“研究得越深,就越想探究里面的奥秘。”对于曹骏辉来说,物理就像是一块有魔力的磁铁,离得越近,引力就越大。而与之呼应的,是他一直埋藏在心中的那块无形却炽热的“磁石”——对物理从未放弃的坚持和愈演愈烈的热爱。

电脑屏幕上滚动的公式与字符,映在他的眼里,就像灿烂而浩瀚的星光——正如无垠的宇宙,未来还有无限可能,等着他去探索。