文｜《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者 徐可瑩
年齡相差如此之大的論文署名組合確實(shí)少見(jiàn)：第一作者是今年26歲、臉上仍掛著稚氣的中國(guó)青年，第二作者則是金發(fā)飄飄、頗具藝術(shù)氣質(zhì)的60歲老工程師。
近日，一篇圍繞“量子互聯(lián)網(wǎng)”的重磅論文在Science上線，主要作者正是來(lái)自美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)材料科學(xué)與工程系的博士生張亦馳和年長(zhǎng)他近40歲的電氣與系統(tǒng)工程系博士生師弟Robert Broberg。
從左至右：張亦馳、通訊作者馮亮、Robert Broberg
這是一項(xiàng)史無(wú)前例的研究。張亦馳及Robert Broberg等人成功將量子網(wǎng)絡(luò)從實(shí)驗(yàn)室引入商用光纖電纜中，并同時(shí)使用了當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)所使用的相同互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 （IP），證明脆弱的量子信號(hào)也能夠在承載日常在線流量的同一基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行。
該研究為量子互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)用化指明了可行路徑，其兼容性降低了未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)部署的成本與復(fù)雜度，避免了重建全新網(wǎng)絡(luò)的高昂投入。
1 為量子信息裝上“火車(chē)頭”
埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrodinger）創(chuàng)造了“量子糾纏”一詞，他曾將這一概念比作一只藏在盒子里的貓。假如盒蓋緊閉，且盒子內(nèi)含有放射性物質(zhì)，那么這只貓有可能活著，也可能死去。一種解釋是，這只貓既是活的，又是死的。唯有打開(kāi)盒子，才能確認(rèn)貓的真實(shí)狀態(tài)。
這一悖論也被稱作“薛定諤的貓”，幾十年來(lái)為物理學(xué)家津津樂(lè)道。哪怕是沒(méi)有物理學(xué)基礎(chǔ)的普通讀者，也能從中嗅出量子粒子的獨(dú)特性質(zhì)——一旦被“開(kāi)盒”測(cè)量，它們便會(huì)失去疊加與糾纏的特性。與此同時(shí)，傳遞環(huán)境中的噪聲也可能導(dǎo)致量子信號(hào)無(wú)法讀取。這使得量子網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展變得極其困難。
但相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，量子網(wǎng)絡(luò)具備安全性、傳輸效率高及抗干擾性等顯著優(yōu)勢(shì)。于是，如何利用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決量子信息傳遞問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，便成了全世界很多科學(xué)家和工程師的研究目標(biāo)。
為此，張亦馳所在的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性地提出了“火車(chē)式”傳輸策略。他們將量子信號(hào)與常規(guī)光信號(hào)綁定傳輸，令傳統(tǒng)信息擔(dān)任“火車(chē)頭”，負(fù)責(zé)牽引，完成路徑選擇與導(dǎo)航，而量子信息則作為“車(chē)廂”，攜帶信息同行。
因傳統(tǒng)信息能夠被測(cè)量，量子信息在整個(gè)傳遞過(guò)程中可以不被“開(kāi)箱”，且整個(gè)系統(tǒng)能夠遵循現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的無(wú)縫兼容。
為更好地實(shí)現(xiàn)“火車(chē)式”信號(hào)傳遞，研究團(tuán)隊(duì)又自主研發(fā)了一款名為“Q芯片”的硅基集成芯片，用于協(xié)調(diào)經(jīng)典光信號(hào)與量子光信號(hào)。它能將經(jīng)典光信號(hào)與微弱量子信號(hào)整合打包，在商用光纖網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)共傳。
“Q芯片”
“當(dāng)時(shí)芯片上有個(gè)器件的功能指標(biāo)我們一直沒(méi)達(dá)到。此前我們實(shí)驗(yàn)室，包括我們學(xué)校都沒(méi)人做出來(lái)過(guò)，所以有4個(gè)多月時(shí)間，我都是在反復(fù)設(shè)計(jì)、改進(jìn)、調(diào)試中度過(guò)的。”張亦馳回憶道。
但脫離實(shí)驗(yàn)室，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，信息傳遞還需面臨溫度變化、震動(dòng)等問(wèn)題，這些因素都會(huì)干擾光纖傳輸。針對(duì)這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了糾錯(cuò)方法，通過(guò)觀察傳統(tǒng)信號(hào)受到的干擾，來(lái)推算出量子信號(hào)需要做哪些補(bǔ)償。
應(yīng)用測(cè)試在賓大校園內(nèi)一條長(zhǎng)達(dá)一公里的Verizon商用光纖上進(jìn)行。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的量子信號(hào)傳輸保真度超過(guò)97%，有效克服了實(shí)驗(yàn)室外的諸多不穩(wěn)定因素。
目前，這一測(cè)試網(wǎng)絡(luò)僅連接了兩棟建筑，包含一臺(tái)服務(wù)器和一個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用約一公里的光纖。研究團(tuán)隊(duì)表示，如果要擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，只需制造更多芯片，將其接入城市現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)即可。
2 治好“強(qiáng)迫癥”的研究
這是張亦馳在博士期間的第二篇一作論文。最初的靈感來(lái)自他的“大齡”同學(xué)，也是前述論文的第二作者——六十多歲的電氣與系統(tǒng)工程系博士生Robert Broberg。
Robert曾在全球領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)解決方案供應(yīng)商思科公司任職，是一名出色的通信工程師，有長(zhǎng)達(dá)38年的業(yè)界經(jīng)驗(yàn)，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)了如指掌。
Robert Broberg 圖源：校官網(wǎng)
“Robert已經(jīng)實(shí)現(xiàn)財(cái)富自由，讀博深造是他的自我追求。”張亦馳對(duì)這位年逾花甲的同學(xué)兼業(yè)界導(dǎo)師心生敬佩。而Robert在互聯(lián)網(wǎng)交叉方向上的許多真知灼見(jiàn)，也為張亦馳提供了很多研究靈感。
2023年10月前后，Robert向張亦馳的導(dǎo)師、賓夕法尼亞大學(xué)材料科學(xué)與工程系和電氣與系統(tǒng)工程系教授馮亮提出將傳統(tǒng)通信和量子通信結(jié)合起來(lái)的想法，同時(shí)給負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的張亦馳推薦了很多相關(guān)論文。
逐一讀過(guò)文獻(xiàn)后，張亦馳腦中逐漸形成了能將量子信息和傳統(tǒng)信息巧妙結(jié)合起來(lái)的方法論——將他們“捆綁打包”傳遞，令傳統(tǒng)信息成為量子信息的“火車(chē)頭”，拉著它一起到達(dá)目的地。
當(dāng)時(shí)，馮亮實(shí)驗(yàn)室正好申請(qǐng)到了一個(gè)主題與量子互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的基金項(xiàng)目。結(jié)合此前看過(guò)的文獻(xiàn)，張亦馳向?qū)熖岢觯瑢ⅰ盎疖?chē)頭”方法運(yùn)用到量子互聯(lián)網(wǎng)的落地應(yīng)用中，形成一個(gè)更加成熟的技術(shù)方案。導(dǎo)師馮亮和Robert都覺(jué)得這個(gè)想法可行，張亦馳便正式投入到這項(xiàng)研究中。
彼時(shí)，張亦馳的上一個(gè)項(xiàng)目已接近尾聲，那段經(jīng)歷曾給他帶來(lái)不小的心理壓力。“那時(shí)候我有點(diǎn)‘強(qiáng)迫癥’，對(duì)細(xì)節(jié)摳得非常細(xì)。”他坦言，“小到一道芯片工序、一件儀器的擺放，即便無(wú)關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我也會(huì)陷入無(wú)謂的較勁，內(nèi)心對(duì)任何不完美都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的排異感。”
更現(xiàn)實(shí)的壓力來(lái)自緊張的實(shí)驗(yàn)資源。他需與他人輪換使用關(guān)鍵設(shè)備，時(shí)間有限，任務(wù)繁重，張亦馳經(jīng)常從清晨忙到深夜，連寒假也用來(lái)?yè)寽y(cè)數(shù)據(jù)。“每次實(shí)驗(yàn)都像打仗。時(shí)間緊迫，想面面俱到卻事與愿違，數(shù)據(jù)總不理想，那段時(shí)間非常焦慮。”
正是這樣的困境，讓張亦馳在新課題開(kāi)始后，決心徹底調(diào)整自己的研究心態(tài)和方式。他意識(shí)到，自己必須從對(duì)細(xì)枝末節(jié)的過(guò)度執(zhí)著中跳出來(lái)，將精力放在思考實(shí)驗(yàn)的核心邏輯和科學(xué)問(wèn)題上。
這一轉(zhuǎn)變，離不開(kāi)馮亮的適時(shí)引導(dǎo)。在看到張亦馳因數(shù)據(jù)不理想而陷入自我否定和懷疑時(shí)，馮亮多次與他交流，勸他不要被完美主義綁架。
“馮老師告訴我，實(shí)驗(yàn)室主要解決的是‘從零到一’的問(wèn)題。對(duì)這類(lèi)科學(xué)問(wèn)題而言，最重要的是研究鏈路的完整性和研究目標(biāo)的可實(shí)現(xiàn)性。倘若太執(zhí)著于實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，關(guān)注‘實(shí)驗(yàn)效果是否達(dá)到100%完美’，反而做不好。”
這番話點(diǎn)醒了張亦馳。他開(kāi)始學(xué)著區(qū)分“重要”和“次要”，不再在無(wú)關(guān)結(jié)果的細(xì)節(jié)上死磕，而是把時(shí)間用在思考系統(tǒng)架構(gòu)和核心方案上。他主動(dòng)為實(shí)驗(yàn)設(shè)置“預(yù)期管理”，對(duì)可能出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)提前準(zhǔn)備備用方案，不再?gòu)?qiáng)求一次完美。
“我逐漸接受了實(shí)驗(yàn)本身的不確定性和不完美性，這反而讓我更能把握整體方向，效率也提高了不少。”
張亦馳在調(diào)試設(shè)備
“量子互聯(lián)網(wǎng)”是一個(gè)非常前沿的研究課題。據(jù)張亦馳了解，當(dāng)時(shí)國(guó)際上也有其他研究團(tuán)隊(duì)在做這個(gè)方向，搶占先機(jī)成了關(guān)鍵。研究思路上的優(yōu)化，心態(tài)上的小“松綁”，加上日復(fù)一日的埋頭苦干，令張亦馳及研究團(tuán)隊(duì)順利拔得頭籌，在全世界范圍內(nèi)率先使用日常互聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議，在商用光纖上成功傳輸量子信號(hào)。
2025年成了張亦馳的豐收之年。盡管經(jīng)歷諸多不順，他的首篇論文最終還是發(fā)表在物理學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)期刊Physical Review X上，加上最新的Science成果，這位年輕的博士生已有兩篇頂刊論文在手。
“但畢業(yè)要求還沒(méi)有滿足，我還有最后一個(gè)項(xiàng)目要做。”張亦馳笑道。
3 長(zhǎng)期主義的耕耘
張亦馳從不把自己定義為“尖子生”。高中時(shí)，他在物理競(jìng)賽上花了不少精力，但遠(yuǎn)未達(dá)到保送生的頂尖水平，最終通過(guò)高考統(tǒng)招進(jìn)入北大物理學(xué)院。面對(duì)身邊眾多早已在競(jìng)賽中嶄露頭角、直接保送的同學(xué)，張亦馳在大一階段一度感到壓力重重，尤其在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程上頗為吃力。
但他始終堅(jiān)信，努力可以彌補(bǔ)差距。面對(duì)起步時(shí)的困難，他沒(méi)有氣餒，而是投入更多時(shí)間鉆研專(zhuān)業(yè)知識(shí)，一步步夯實(shí)基礎(chǔ)。
憑借不懈的努力，張亦馳不僅順利跟上了課程進(jìn)度，本科期間成績(jī)穩(wěn)步提升，更在畢業(yè)時(shí)獲得了“北京大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)生”稱號(hào)。
在張亦馳看來(lái)，自己從未刻意追求過(guò)頂尖，只是維持一種不疾不徐的從容節(jié)奏。這種節(jié)奏，讓他能夠擺脫“優(yōu)績(jī)主義”的焦慮，不被排名所裹挾，從容地按照自己的步調(diào)踏實(shí)前行。
2021年進(jìn)入賓夕法尼亞大學(xué)攻讀博士學(xué)位后，挑戰(zhàn)依然存在。
讀博前三年，張亦馳并未像部分同學(xué)那樣快速發(fā)表頂級(jí)論文，其間不時(shí)傳來(lái)本科同學(xué)已在頂級(jí)期刊上有所斬獲的消息。面對(duì)壓力，他選擇沉下心來(lái)，堅(jiān)持自己認(rèn)準(zhǔn)的研究方向，相信扎實(shí)的積累終會(huì)迎來(lái)突破。
某種程度上，這也延續(xù)了他從容不迫的節(jié)奏哲學(xué)：不盲目追逐熱點(diǎn)，不因他人提速而自亂陣腳，而是專(zhuān)注長(zhǎng)期價(jià)值，在關(guān)鍵處獲得成長(zhǎng)。
這種不急于求成的長(zhǎng)期主義科研觀，與導(dǎo)師馮亮的引導(dǎo)密不可分。在馮亮看來(lái)，扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)與獨(dú)立思考能力尤為重要。馮亮在實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)上給予學(xué)生充分自由，但對(duì)研究的頂層邏輯要求極為嚴(yán)格，強(qiáng)調(diào)必須在每個(gè)階段建立系統(tǒng)化的思考框架。
“馮老師要求學(xué)生在匯報(bào)時(shí)不能只講‘結(jié)果’，還要解釋‘為什么這樣做’以及‘接下來(lái)怎么做’。”正是這種既重根基又強(qiáng)調(diào)整體的培養(yǎng)方式，讓張亦馳學(xué)會(huì)了著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)、抓住關(guān)鍵。
馮亮實(shí)驗(yàn)室合影（張亦馳為前排左三，馮亮為后排左一）
回顧成長(zhǎng)路上的關(guān)鍵階段，張亦馳深感選擇與堅(jiān)持的重要性。讀博四年來(lái)，他不斷在科學(xué)研究中體會(huì)著思考與決策的分量。
對(duì)于未來(lái)，張亦馳希望能有機(jī)會(huì)走出象牙塔，去工業(yè)界看一看。“學(xué)術(shù)界追求的是‘從0到1’，但工業(yè)界擅長(zhǎng)的是‘從1到100’，把理論轉(zhuǎn)化為真正影響世界的產(chǎn)品。”
張亦馳坦言，自己從本科到博士一直在學(xué)術(shù)體系中成長(zhǎng)，雖然深度足夠，卻也渴望換一個(gè)環(huán)境，去體驗(yàn)不同的研究節(jié)奏和問(wèn)題視角。“工業(yè)界也有很多極具挑戰(zhàn)性的科研問(wèn)題，尤其是在量子技術(shù)的落地方面，那種貼近現(xiàn)實(shí)、注重協(xié)同的氛圍很吸引我。”
在他看來(lái)，人生不止一種可能。在投身終身教職之前，更應(yīng)該主動(dòng)探索不同的道路，而此刻，正是他打開(kāi)那扇門(mén)的最好時(shí)機(jī)。
論文鏈接：
本文鏈接：26歲博士生搭檔60歲師弟，一起發(fā)了篇重磅論文http://www.sq15.cn/show-11-26606-0.html
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