张首晟:天使粒子将会给量子计算带来0到1的突破

2018-01-15 00:02:30 来源: 科学家说 举报
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【编者按】网易科技推出大型系列报道《科学家说》,专访全球顶尖科学家,洞见趋势,分享智慧。今天推出《科学家说》第31期,专访斯坦福大学物理教授张首晟。

张首晟:天使粒子将会给量子计算带来0到1的突破

出品|科学家说栏目组

作者|网易科技 崔玉贤

【他是谁】

张首晟,是个“神童”,直接跳过高中,自学从初中进入复旦大学;师从杨振宁,被认为获得诺奖只是时间问题;开创了拓扑绝缘体这个全新领域,发现了“量子自旋霍尔效应”,包揽了物理界所有重量级奖项;被聘为斯坦福大学物理教授,成为斯坦福大学最年轻的终身教授之一;张首晟还极具商业头脑,创办了“丹华资本”。

张首晟还获得2017年度中华人民共和国国际科学技术合作奖。

【精彩言论】

1、科学如此广阔的领域,如何找到好的课题,是需要很好的战略眼光的科学家。就像在大海航行还是需要舵手的。

2、中国对科学越来越重视,科学家也受到了更多的尊重。其实,中国教育的根基做的非常好,而且中国在科学仪器上投入越来越大,实验科学会发展的很快。

3、但是国内很多科学实验还是跟风,比如国外已经做了N的话,他做N+1的,而不是0到1的。

4、量子计算是一个战略性高度的领域,我们在这个领域闯出了一个全新的道路。天使粒子将会对量子计算带来革命性的影响,会是从0到1的突破。

5、我们现在做的一个全新方向是用人工智能来预言新的材料,而且会考虑引入中国,造福整个人类。

6、我是出生于中国的科学家,虽然在斯坦福工作,但是我总是想把科学桥梁工作能够做好。

注“天使粒子”是张首晟教授对发现手性Majorana费米子的命名,这一发现以论文的形式发表在《科学》杂志上,第一作者何庆林将该粒子命名为了“太极粒子”。

张首晟:天使粒子将会给量子计算带来0到1的突破

【正文】

发现“天使粒子”之后,张首晟及其团队没有停止研究的脚步。近期,张首晟回国在人民大会堂领受“2017年度中华人民共和国国际科学技术合作奖”之后,接受了网易科技的采访。张首晟教授不仅讲述了这次获奖的意义以及今后与国内科学家合作的方向,而且透露了实验室正在进行的前沿科研项目:一个关于量子计算;一个关于预测新材料。

量子计算是“未来技术革命的核心”,不仅国内外行业巨头企业,谷歌、IBM、英特尔、微软、阿里、华为等投入资源研发,国家也投入了巨资研发。来自美国《科学》杂志曾撰文指出,科技巨头都在量子计算领域投入数千万美元研发,并选择了不同的量子计算技术。

“在国际范围里,量子计算机已经是一个非常关注的研究课题,也是一个战略制高点,但大家都还是在摸方向的阶段。”张首晟表示。

目前量子计算的过程中,一个量子比特非常脆弱,如果想要获得一个真正有用的量子比特,需要十个或者二十多个量子比特来纠错。“这样的话,缺乏可拓展性。”张首晟解释道,“但我们发现的’天使粒子’会给整个量子计算领域带来0到1的突破性。”

张首晟认为:“天使粒子”的拓扑量子计算原理,一个量子比特自己不会犯错,能够运行下去,将会对量子计算带来很大的革命性影响。

“天使粒子”被发现之初,张首晟教授在接受网易科技等媒体采访时就讲过,Majorana费米子(后来被命名的“天使粒子”)是通常粒子的一半,通常的量子比特非常脆弱,这也是其核心致命的伤。天使粒子可以将1个量子比特拆成两个更小的单位,如此一来,传统的噪声极其难以同时以同样的方式影响这两个Majorana费米子,进而毁灭所存储的量子信息。相较于传统的存储方式,比如电子自旋,超导磁通和光子极化,这样存储在远离的两个Majorana费米子上的拓扑量子比特,本质上极其稳固。

“天使粒子”不仅从概念层次上进行颠覆,将修正古典哲学有正必有反,有阴必有阳的理论;还会从物理层面上进行颠覆,最基本量子单位拆成两半,可以更稳定,科学将走向技术。

据张首晟透露,其最近在斯坦福大学成立了拓扑量子物理中心,正在规划在中国做一个实验中心,将理论上的设想在中国土地上真正实现。

除了量子计算之外,张首晟最近在做一个非常新的方向:用人工智能来预言新的材料。

材料对整个人类起着非常重大的作用,人类的每一个重大历史时期都用一种材料来命名:比如旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代,后来的硅片时代。但过去几乎所有的材料都是在一种偶然的实验室情况下被发现,比如拓扑绝缘体材料是整个人类文明上史无前例的发现,但这个材料的发现是在实验室里偶然的发现。

这样材料的发现过程是无效而高成本的。但张首晟表示,可以用人工智能来改变方法论,用理论来指导实验的进步,发现有用的材料。

“一旦这个做成之后,我们不但可以预言一些有用的无机的材料,我们更可能会预言一些有机的材料,甚至小分子,可以用它来做精准医疗。”张首晟兴奋的表示。

以上这两个重大的科学研究方向,张首晟都会将其带回国内,与中国合作来做。这是出生在中国的科学家的张首晟的情怀,也是因为中国科学在国际上影响越来越大。

张首晟表示,科学是误解的,希望自己能够把中外科技发展的桥梁工作做好。

而这也正是国家将“2017年度中华人民共和国国际科学技术合作奖。”授予张首晟的原因。

其实,除了在科学研究方向的合作,张首晟还成立了丹华资本,正是配合国家的“双创”,想要树立一个“产学研”三者成功的楷模。

“‘丹华’两个字,就是想把斯坦福和中国紧密地联合在一起。”张首晟表示道。

以下为网易科技对张首晟采访的部分记录:

网易科技:您刚刚获得2017年中国国家国际科学技术合作奖,对此奖项您有什么感想吗?

张首晟:这个酝酿了差不多一年时间,每年新年开始是党和国家领导的一个比较重大的项目。现在国家对科技越来越重视。这个是中国对外国公民一个最高的认可奖。

中国现在有个普遍的一个现象就是如果有一个固定目标的话,我们总能集中很大的精力来攻克。在我们这个领域,我在国际领域上面开辟了拓扑绝缘体的研究。在当时还没有特别受到关注的情况下,使我们国家的科学工作者能够进入这个领域。

所以接下来我们国家给我们自己科学家发的很多奖都是在拓扑绝缘体、量子反常霍尔效应两个大的领域。这也是我在2006年、2007年在国际领域上面开辟了一个新的领域。我正好在2009年的时候就来到了中国,来做“千人计划”,这是B类的,就是访问型的“千人计划”。所以在这个过程当中,能够把一些最最前沿的课题待到国内,这样我们国内的科技工作者一下子就走到非常前沿。

所以总的来说,中国过去几年在整个世界领域里面取得的科学上面的一些成就,跟国外的合作也是有关的。我这次也是非常荣幸能够得到这个奖,也是认可在这个方面做的贡献。

网易科技:“千人计划”的科学家其实还蛮多的。发给您的理由是什么?因为拓扑绝缘体吗?

张首晟:是的,拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应的发现,使得我们中国做出的科学工作走到了整个世界的前沿。

中国今后在整个科技领域的往前发展,就是需要有战略眼光的科学家。所以在整个科学领域,有目标的话,大家有一个科学方法论在做;科学那么宽广的领域里面,如何去找到好的课题?大海航行是需要靠舵手的。

我们现在对中国也是越来越乐观,一个是我们在“千人计划”之后,像我们这样的科学家能够把一些最有前途的研究课题多带给中国;另外,我们的学生辈已经能够来到中国做“青年千人”计划,这样的话,他们就扎根在中国做科学研究。所以我觉得我们中国科学会继续往前推进,走向国际的前沿,还是非常有信心的。

网易科技:您后续跟中国的合作有新的什么计划吗?

张首晟:今后会更加紧密的合作。2017年7月份,我们也宣布发现了“天使粒子”,它尤其是对量子计算机会有很大的推动。现在国际范围里面,量子计算机已经是一个非常非常关注的研究课题,但是我们闯出了一个全新的道路。现在在量子计算机的过程当中,一个量子比特非常脆弱,用通常的办法的话,要做一个量子比特的话,纠错就需要十个或者二十个量子比特。

这意味着需要十个、二十个纠错的量子比特为一个真正有用的量子比特来服务。这样的话,缺乏可拓展性。

但我们希望用了拓扑量子计算的原理之后,一个量子比特自己不会犯错,能够运行下去。这样的话,肯定是会对整个量子计算带来很大的革命性的影响。

网易科技:量子计算是目前国内外关注的重点,中国在量子通信方面已经做的非常好,比如潘建伟老师。您怎么看待中外在量子计算方面的差距?

张首晟:中国现在还没有完全开始,还是做了一个比较传统的量子计算机的规划。

我认为这些传统的规划必然受到可拓展性的限制。我们通过过去一段时间的合作,已经在拓扑绝缘体这个领域里面做了很大的成就,我也是更希望能够把这个路继续能够跟我们国内的科学家紧密地合作,继续把它走下去,更能够站到科研的前沿。

网易科技:所以这是您未来跟中国合作的一个重要的方向?

张首晟:对,重大的方向。我最近在斯坦福大学成立了拓扑量子物理中心,然后我现在也在规划,在中国做一个实验中心,把我们的一些理论上的设想在中国这个土地上能够真正来实现。

网易科技:会跟大学有一些合作吗?

张首晟:对。量子计算除了国内之外,美国的话,一些大的企业也在研究,这也是一个比较罕见的。这个总的来说,量子是一个比较基础性的研究。谷歌也在做,微软也在做,IBM也在做,所以这个事情确实是一个战略制高点。但是现在在整个国际范围里面,我们提出了一个全新的原理,我们认为它最终会成为最成功的一条道路。但是这当然是要通过很多的实验。

另外,国内现在对科学仪器上面做了很大的投入,所以这方面,我作为理论科学家,是需要很多实验装置的配合。

网易科技:目前整个全世界范围内,大家对量子计算的研究进入到哪个阶段了,或者有没有一个词去形容它。然后中国是处于哪个阶段呢?

张首晟:我觉得总的来说,大家还是在摸方向的一个阶段。最核心的一点,我觉得就是可拓展性。就像我刚才讲的,一个量子比特需要十个、二十个量子比特来为它纠错,我觉得这个方案肯定是不可行的。

网易科技:您感觉中国在量子计算这方面和国外是有差距的吗?

张首晟:在量子计算,还是有差距的。

网易科技:更多的差距是一些理论性的差距,还是原创性的差距?

张首晟:我觉得还是没有一个全新的设想。国内做的很多实验基本上还是跟风,比如国外已经做了N的话,他做N+1的,而不是0到1的。我觉得我们最近“天使粒子”的发现的确是会给整个量子计算领域带来一个0到1的突破性,最最原始的一个创新。

网易科技:这种创新,您选择在国内做,还是国外也同步呢?

张首晟:因为我在斯坦福能够收到很多优秀的学生,而且我又做理论,所以我们很多理论的设计是在斯坦福大学、在国外做。但是就像我刚才提起,现在国内对科学仪器设备上面大量的投入,所以我想基本上每一个设想,把理论工作和实验工作作为这么一个桥梁的配合。

网易科技:除了量子计算之外,还有其他方向的计划吗?

张首晟:另外,在整个研究领域里面,我们最近做了一个非常新的方向,就是用人工智能来预言新的材料。拓扑绝缘体材料的发现在整个人类文明上是史无前例的,过去的材料往往在实验室里面偶然发现,但是拓扑绝缘体的材料是我们理论上预言的。材料对整个人类起着非常重大的作用,我们人类的每一个重大历史时期都用一种材料来命名,比如旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代,到了硅片时代。

但是过去所有的材料几乎在一种偶然的实验情况下被发现,这样的话,非常无效。但是最近拓扑绝缘体的发现完全改变了这个方法论,使得我们能够用理论来指导这个实验的进步,能够来发现这些有用的材料。

一旦这个做成之后,我们不但可以预言一些有用的无机的材料,我们更可能会预言一些有机的材料,甚至小分子,可以用它来做精准医疗。

网易科技:会考虑引入中国吗?

张首晟:也会考虑。我是非常有这个情怀,我觉得科技合作奖也是代表了我们中国走向国际化的很好的一个标志。因为中国现在的崛起肯定是世界不可阻挡的潮流,但是往往大家也会担心中国这个崛起的过程。但在科技领域里可以做紧密的合作,因为科技的合作是无国界的,而整个科学是无界的、无边的。这样的话,我们这样一起造福于整个人类。

网易科技:除了情怀这方面,国内的科研环境有没有会让您觉得更好一些呢?

张首晟:其实我在斯坦福大学绝大部分的学生都是来自中国的名校,尤其是清华大学。所以2009年来到清华大学,就是在杨振宁先生创办的高等研究院做访问学者,做特聘教授。所以我觉得中国教育的根基其实做得非常好。我们在整个科研过程当中,理论物理非常需要一个很有功底的学生来做。所以在这上面,我也是非常受益于来中国的访问和清华大学的交流。

网易科技:您感觉目前中国大家对科学的氛围怎么样?

张首晟:我觉得大家是越来越重视,在整个GDP上面已经有相当大的比重是投入于科学,在整个宣传方面也是非常注重对科学家的宣传。

另外还有两点,一个是中国聪明优秀的学生,一个是中国现在科学仪器上面大量的投入,使得我们一些设想能够很快地经过实验的论证。

今天的演讲也提了这一点,就是要让科学家们得到整个社会的尊重。现在是大家最最关注科学的时候。

所以在这个时刻,我也是感到责任是非常重大的,真是想把这个桥梁作用能够做好。尤其中国最最需要的,就是我能够贡献的那一部分,就是现在需要有一个方向,就是科研在那么多可以选择的科研课题上面,到底去选择哪一个最能够为整个人类带来最新的知识,能够真正造福于人类。

网易科技:我们知道除了科研,您还创办了丹华资本。

张首晟:对,丹华其实也是为了配合我们国家的“双创”。我们国家的“双创”最需要的是,要有一个“产学研”三者成功的一个楷模,而斯坦福大学就是一个“产学研”非常成功的典范。丹华的理念,首先是一个三角形,就是“产学研”。然后有两个大的跨界,一个是把科学研究的前沿和投资紧密联合在一起,一个是要建立中国和美国的桥梁。

创立丹华资本,跟我们国家的命运紧密结合在一起,这个是配合我们国家“双创”的机会。那么“双创”的话,现在我们国内商业模式的创新其实已经挺多了,但是真正要做前沿科技的创新,并且把前沿科技的创新能够早日转换成能够造福于人类的一种产品。这样的话,我觉得需要有“产学研”上面的一个楷模。

而斯坦福大学在这方面做得非常成功。我当年在斯坦福大学做教授的时候,也成功地投资过VMware这家公司,所以我也是为了响应“双创”的号召,能够真正地配合我们国家的“双创”。所以“丹华”两个字,就是想把斯坦福和中国紧密地联合在一起。

郭浩 本文来源:科学家说 责任编辑:郭浩_NT5629
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