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金贤敏:量子信息集成化的深耕者
2019年03月27日  作者:王阳   编辑:chunchun   审核:刘纯  版面:B2

  金贤敏,1980年7月生,上海交通大学物理与天文学院研究员、博士生导师,“全国百篇优秀博士论文”和“中国科学院百篇优秀博士论文”获得者,曙光学者,上海青年科技英才,区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室学术带头人。2012年同时获得欧盟授予的玛丽·居里学者和牛津大学沃弗森学院学者称号。2013年开始在上海交大组建光子集成与量子信息实验室。2015年达沃斯世界经济论坛授予他青年科学家奖。金贤敏长期致力于以光量子集成芯片为核心,以量子计算、量子通信和量子存储的芯片化集成的研究和研发。已发表论文40余篇, SCI引用1700多次,获得国家发明专利5项。

  深夜11点多,上海交大物理楼815室依然灯火通明,被称为“夜间生物”的金贤敏老师还在办公室看文献写论文。他通常都是这样,晚上工作到凌晨才回家休息,中午再回到办公室。金贤敏说,晚上精力集中,没有人打扰,正好用来思考,逻辑清晰,效率比较高。白天是金贤敏和学生交流讨论的时间,办公室的黑板上总是写着密密麻麻的公式和实验原理图,很多科研最初期的想法就是在这块黑板上产生的。

  这就是金贤敏的生活——学校和家两点一线。“简单的生活有利于科研。”金贤敏认为,这也是带好团队的需要。他带领的年轻团队自从组建以来就以勤奋努力和立志做引领性的研究为根本。每个学生的研究工作,从最初的想法,到实验设计、装置搭建,再到论文撰写,金贤敏都会手把手指导。

80后草根教授的求学之路

  金贤敏是安徽合肥人,父母都是农民,本科就读于安庆师范大学,算是上海交大出身的草根教授。这样的背景也使他在招收研究生时有自己的考量标准:“我并不很看重本科是否在985或211大学就读,而更看重学生在他所在学校里是否冒尖,是否用功。母校邀请过我回学校做报告,我非常乐意,希望能以自己的经历,去鼓励学弟学妹们,告诉大家只要有梦想,并且肯付出艰辛的努力,都可以成就自己心中的卓越。”

  金贤敏就是个很努力的学生。大学临近毕业,他选择考研。为此他非常投入,几乎每天在学校的通宵教室里度过十几个小时。苦行僧般付出两个月后,以学校破纪录的高分、当年中国科技大学近代物理系考生第一名的成绩被录取。“当你很投入做一件事,你可以做得很好。”他说。

  是潘建伟老师引领他走进科研之门的。在读硕士第一年时,金贤敏偶然听了潘建伟关于量子信息方面的报告,很着迷,非常渴望到潘老师的实验室做研究。经过不懈争取终于实现心愿。“那个时候换导师和专业都很难,进入量子领域要感谢潘老师。”金贤敏多次提到这段知遇之恩。

  2004—2008年,在潘老师实验室读博,2008—2010年,在潘老师实验室做博士后。这6年时间里,金贤敏从零开始搭建两套实验平台,一个是博士后期间搭建了基于激光冷却原子的首个量子纠缠存储平台,另一个是博士期间搭建了当时首个长距离自由空间量子隐形传态系统。

  复杂、前沿意味着有难度,但攻克困难后你可能就将是某领域的第一人。金贤敏的博士论文工作是从八达岭长城到河北怀来之间架设16公里长的量子信道系统,完成了16公里自由空间量子传态实验。前后做了两三年,结果非常好,以封面文章发在《自然·光子》期刊(金贤敏是论文第一作者),这是世界光学领域影响力最大的学术期刊。这项工作还被两院院士推为2010年中国十大科技进展和科技部十大科技进展项目之一,与之并列的其他进展都是诸如嫦娥登月之类的国家级特大型研究成果。

  金贤敏回忆道:“我现在有能力并且敢做一些看起来很难但是很有意义的工作,得益于在潘建伟老师实验室时两个从头开始建平台的研究经历。”

  2010年至2014年,金贤敏在英国牛津大学物理系深造,前两年是作为博士后,后两年被评为欧盟授予的“玛丽·居里”学者,获资助后依托牛津大学相对独立地开展研究。玛丽·居里学者计划是欧洲最好的青年人才资助计划之一。

  在牛津大学的这4年,金贤敏都是在做自己感兴趣的事——光量子集成芯片研究,合作的导师是牛津大学副校长、英国皇家科学院院士Ian Walmsley,他领衔的团队是全球最早开展光量子集成芯片工作的两个最顶尖的实验室之一。

  据介绍,光量子集成兴起于2008年左右。量子信息技术经历了早期的原理性验证,接下来是要构建大规模量子系统,大到足以进入人类从没能实现的尺度,比如50~100个量子比特,从而可能在探索新科学和新技术上实现量子霸权。而发展光量子集成芯片技术,是突破传统的宏观光学系统的瓶颈,是推动量子信息技术走向芯片化、集成化和实用化的关键和必然趋势。

蓄势待发,成立自己的实验室

  金贤敏在牛津就一直想早日回国建立自己的实验室,一一实现这些年积累的想法。为此他放弃了还有两个月就能拿到的永久居住证,辞职回国。

  当时,上海交通大学校长张杰亲自出马招聘从事基础科学研究的杰出人才。此外,金贤敏感到,量子通信和量子计算有些方面已经处于产业化边缘,需要在基础前沿和技术工程两个方面同时发力、相辅相成,能来交大建立量子信息技术实验室是非常好的选择。2014年,金贤敏全职回到上海交大工作。

  在学校大力支持下,他组建了“光子集成与量子信息实验室”。“要做的事情一定要非常有意义、有前景,并且最好不要和以前学习、工作过的研究组的研究有所重复。”金贤敏决定专注于光量子集成芯片的研发、海水量子通信实验和宽带量子存储3个研究领域和课题。

  金贤敏说:“做科研的关键是存异,而不是求同,要做自己有特色、有专长、独一无二的研究,这也是科研本身能够给学者最大的回馈。想到一个想法,然后再想方设法克服困难把它实现了。世界上从来没人做到过,这种感觉很棒,是一种强烈的自我肯定,和打游戏通关的感觉一样。”

  又是从零开始搭建实验平台,遇到不少困难,高年级成熟的学生、仪器、技术积累、招生名额等各方面哪样都缺。新的研究方向有很多未知和不确定因素,压力很大。一直到2017年,金贤敏都在潜心搭建实验室,通过研究课题发展团队。虽然这3年没有产出比较优秀的科研成果,几乎没有发表过什么文章,但金贤敏坚信只要不懈努力和坚持,总有一天会有可喜的回报。

厚积薄发,2018年硕果累累

  “三年不鸣,一鸣惊人”。金贤敏坚持要做顶尖的工作,所以一直憋着不发表那些稍差的中间的研究结果。经过无数个踏着凌晨霜露回家的日子,近一年来,金贤敏团队的科研成果陆续发表并在国内外引起巨大反响。

  2017年实现了首个海水量子通信实验,观察到了光子极化量子态和量子纠缠可以在高损耗和高散射的海水中保持量子特性,在国际上首次实验验证了水下量子通信的可行性。这标志着向未来建立水下及空海一体量子通信网络的目标迈出了重要一步。

  New Scientist(《新科学家》)和Physics World(《物理世界》)等国际著名科学杂志都以首个水下量子通信实验为题进行报道,包括加拿大科学院院士在内的国内外同行也开始跟踪研究海洋量子通信技术。

  2018年5月在美国《科学》子刊Science Advances上发表了世界最大规模的光量子计算集成芯片,并演示了首个真正空间二维的随机行走量子计算。作为专用量子计算的一个强大算法内核,二维空间中的量子行走,能够将特定计算任务对应到量子演化空间中的相互耦合系数矩阵中。

  金贤敏团队通过飞秒激光直写技术制备了节点数多达49×49的三维光量子计算芯片,正是这种目前世界最大规模的光量子计算芯片,使得真正空间二维自由演化的量子行走得以在实验中首次实现,并将促进未来更多以量子行走为内核的量子算法的实现。这项研究进展对于推进专用量子计算机研究、实现“量子霸权”具有重大意义。

  6月,在物理学权威期刊 《物理评论快报》(Physical Review Letters)上报道了在人工智能与量子信息技术交叉领域所取得的重要突破。首次将机器学习技术应用于解决量子信息难题,实验实现了基于人工神经网络的量子态分类器。该工作开启了经典人工智能技术在量子信息领域的应用,人工智能未来或为量子信息技术带来一场新的变革。

  7月,团队以论文的形式在《NPJ量子信息》(NPJ Quantum Information)发表有关最新的宽带量子存储研究成果,这是在该刊发表的第一篇以上海交通大学为第一单位的学术论文。团队首次验证了宽带量子光源内嵌的光与原子干涉接口可以在室温环境下运行,解决了室温量子存储和量子光源匹配性和一体化问题,对构建可扩展可集成的量子信息网络具有重要意义。

  8月,金贤敏与国防科技大学吴俊杰团队合作,用天河二号超级计算机标定了量子霸权,相关文章发表在《国家科学评论》(National Science Review)上。实现量子霸权将是量子计算发展的一座重要里程碑,代表超越经典的量子计算能力从理论走进实验,标志一个新的计算能力飞跃时代的开始。

  10月,金贤敏团队继5月份实现了世界最大规模的光量子计算集成芯片后,又取得重大突破,实现了首个基于光量子集成芯片的物理系统可扩展的专用光量子计算机,研究工作发表在《自然》子刊Nature Photonics上。他们提出了新型的三维六角图形结构,实现了物理可扩展的大规模快速到达量子计算算法内核。这项工作开辟了增加系统维度和尺度的方式来增加计算能力的新途径,向更加实用的量子计算机迈出了重要一步。在量子信息集成化研究道路上,金贤敏不断开拓进取,每一个前行的脚印都散发着夺目的光彩。

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