导师4年几乎没来实验室，95后博士生发了Science

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”。

(资料图)

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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