Johannes Majer教授專訪：我來到中國，是為了加入世界上做量子物理最好的團(tuán)隊(duì)

墨子沙龍：您能否向我們的觀眾做一下自我介紹，以及您的研究方向。

Majer教授：我是Johannes Majer，大約五年半前作為教授入職了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，目前負(fù)責(zé)一個(gè)研究混合量子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室。我來自瑞士，在那里出生、學(xué)習(xí)物理，之后我去了荷蘭的代爾夫特攻讀博士學(xué)位。我在美國做的博后，隨后在維也納工作了12年，也是在那里遇到了潘建偉。2020年，我來到了上海。

墨子沙龍： 所以據(jù)我所知，您的研究涉及量子力學(xué)和量子光學(xué)的許多領(lǐng)域。那么，您能否用幾句話為我們解釋一下“量子”是什么？

Majer教授：可以這么說，量子物理、量子力學(xué)描述的是一個(gè)奇特的世界，在那里波和粒子是相同的。我們今年正好在慶祝量子力學(xué)誕生一百周年。一方面，我很開心大家都在慶祝它，但另一方面，我的開心要打個(gè)折，因?yàn)榱孔恿W(xué)的發(fā)展其實(shí)花了很多年，我們至今仍在不斷學(xué)習(xí)、不斷發(fā)展。量子力學(xué)已經(jīng)相當(dāng)成功，特別是在解釋許多日常生活的現(xiàn)象方面。在我個(gè)人看來，元素周期表是人類最偉大的成就之一，而量子物理正是解釋為什么元素周期表會(huì)呈現(xiàn)那樣的形式。化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等一切科學(xué)，其實(shí)都建立在量子力學(xué)所解釋的這些基礎(chǔ)之上。不僅如此，量子力學(xué)還能解釋為什么有些材料能夠?qū)щ姡ㄒ簿褪墙饘伲瑸槭裁从行┦墙^緣體，以及介于兩者之間的半導(dǎo)體。這徹底改變了世界，我們因而有了手機(jī)、電子表、數(shù)碼相機(jī)，最終引發(fā)了“計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)革命”。而現(xiàn)在，隨著量子技術(shù)的發(fā)展，我們正邁入“第二次量子革命”。這一次，我們不僅僅是用量子力學(xué)來解釋世界，還要真正利用到它的特性，例如用于量子通信。目前最大的目標(biāo)當(dāng)然是建造量子計(jì)算機(jī)。所以說，量子是自然的基礎(chǔ)，而物理學(xué)家正是通過研究它，來理解這個(gè)世界的。

墨子沙龍：您剛才提到，目前的研究重點(diǎn)是混合量子系統(tǒng)，特別是將超導(dǎo)電路與自旋系統(tǒng)相結(jié)合。那么，您能否詳細(xì)解釋一下，什么是混合量子系統(tǒng)？以及把超導(dǎo)電路與自旋系統(tǒng)結(jié)合起來的意義是什么？

Majer教授：混合量子系統(tǒng)的核心理念，就是把不同的量子技術(shù)結(jié)合在一起。如果你觀察整個(gè)量子物理、量子計(jì)算、量子技術(shù)的發(fā)展，其實(shí)它把物理學(xué)中原來相對(duì)獨(dú)立的幾個(gè)方向，比如原子物理、光子學(xué)、固態(tài)物理——統(tǒng)統(tǒng)都聯(lián)系在一起了。而我們的目標(biāo)，是要建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)。如果你看一下建造量子計(jì)算機(jī)所需的條件，會(huì)發(fā)現(xiàn)難度非常大。很多技術(shù)都有各自突出的優(yōu)點(diǎn)，但與此同時(shí)，也存在著明顯的缺點(diǎn)。所以，“混合量子系統(tǒng)”的想法就是利用兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合互補(bǔ)。在我的研究中，我發(fā)現(xiàn)把超導(dǎo)電路與自旋系統(tǒng)結(jié)合是可行的，會(huì)具有極佳的量子特性，但也是微觀的。

墨子沙龍：在您的混合量子系統(tǒng)中，您觀察到了哪些現(xiàn)象？有沒有什么新的發(fā)現(xiàn)？

Majer教授：我們發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)非常有趣的系統(tǒng)。我們利用金剛石中的缺陷，并將它們置于超導(dǎo)電路上。這就是我們所謂的量子光學(xué)，這里處理的是單光子、微波光子，而不是可見光光子，同時(shí)還涉及自旋。在維也納的實(shí)驗(yàn)室里，我發(fā)現(xiàn)了幾項(xiàng)新的現(xiàn)象。其中一項(xiàng)名為“腔保護(hù)效應(yīng)”。其原理是：如果將自旋與腔體耦合得越來越強(qiáng)，量子系統(tǒng)可以變得更好，更具相干性。通常情況下，耦合兩個(gè)系統(tǒng)會(huì)讓系統(tǒng)變得更差，但這種效應(yīng)卻讓系統(tǒng)變得更好。

我們還做了類似的實(shí)驗(yàn)：通過在系統(tǒng)中“打孔”——實(shí)際上是在光學(xué)或微波頻率上去除一些能級(jí)，我們觀察到系統(tǒng)的相干時(shí)間竟然比兩個(gè)子系統(tǒng)都要長(zhǎng)。通過這種方法，我們可以讓一個(gè)混合系統(tǒng)比兩個(gè)單獨(dú)的基礎(chǔ)系統(tǒng)表現(xiàn)更好。對(duì)我來說，這正是混合系統(tǒng)的魅力——利用各自的優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造出更優(yōu)的系統(tǒng)。

此外，我們還做了其他實(shí)驗(yàn)。例如，之前沒有人在極低溫下對(duì)這些 NV 色心（氮空位中心）進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，我們是首次對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量了包括相干時(shí)間和弛豫時(shí)間等性質(zhì)。特別令人驚訝的是，我們測(cè)得的弛豫時(shí)間竟然達(dá)到了 8 小時(shí)。對(duì)于量子系統(tǒng)來說，這是非常長(zhǎng)的時(shí)間，這主要得益于金剛石本身的特性——金剛石非常堅(jiān)硬，才能實(shí)現(xiàn)如此長(zhǎng)的相干和弛豫時(shí)間。

墨子沙龍：這真是大量而且非常有趣的研究工作。聽起來您的研究都非常原創(chuàng)。同時(shí)，我們也聽說您之前的研究在量子電路電動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。您能介紹一下什么是量子電路電動(dòng)力學(xué)嗎？以及它與量子力學(xué)其他分支的區(qū)別和聯(lián)系？

Majer教授：沒問題！這段時(shí)間特別精彩，幾周前，我的一位博后導(dǎo)師米歇爾·德沃雷(Michel Devoret) 獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。我之前在美國做博后時(shí)，就是在米歇爾·德沃雷的麾下工作。這個(gè)領(lǐng)域由米歇爾·德沃雷、約翰·克拉克(John Clarke) 和約翰·馬丁尼斯(John Martinis)開創(chuàng)。它的核心思想是，將超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)和電容結(jié)合起來形成量子系統(tǒng)。這些是共軛變量，就像空間與動(dòng)量，或能量與時(shí)間一樣。而現(xiàn)在，我們可以在芯片上進(jìn)行量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)。由于他們?cè)?80 年代的開創(chuàng)性工作，他們最近獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

2010年左右，我在耶魯做博后時(shí)，我們開發(fā)了Transmon qubit（全稱transmission line shunted plasma oscillation qubit，即“傳輸線分流等離子體振蕩量子比特”），它至今仍是性能最好的量子比特之一，目前被 Google、IBM，當(dāng)然還有我在上海的同事們廣泛使用。這也是我來到上海的原因之一。

我讀博的時(shí)候，還沒有人討論量子比特，那時(shí)它還被叫做微觀量子相干。我想說的是，雖然芯片上有電路，但相比于電子或原子，這些電路是巨大的。問題是，我們能否在大型系統(tǒng)中看到量子效應(yīng)？

墨子沙龍：是的。如果我們能在自己的系統(tǒng)中觀察到這些效應(yīng)，研究起來也會(huì)更容易理解。我們非常高興邀請(qǐng)您來中國，因?yàn)槟墓ぷ髡娴姆浅３錾Ｄ敲矗鸀槭裁催x擇來中國？在這里最讓您印象深刻的是什么？

Majer教授：我并不是一開始就打算要來中國的，我之所以來到這里，可以說是為了這個(gè)研究所。潘建偉在這里建立了一個(gè)世界領(lǐng)先的研究所，當(dāng)我收到邀請(qǐng)時(shí)，非常高興能夠加入。這是世界上做量子物理最好的地方之一，這都要?dú)w功于潘建偉。另外，上海是一個(gè)非常有趣的城市，它很好地融合了東西方文化。

讓我印象最深刻的，首先是這里對(duì)科學(xué)和技術(shù)的熱情。這里的氛圍非常積極，尤其是在“奇妙量子世界”活動(dòng)上，看到那么多人前來參觀、交流，真的很讓人振奮。科研經(jīng)費(fèi)也非常充足，而且我必須說，這些資金能被如此有效地用于高質(zhì)量科研，我真的覺得很厲害。

墨子沙龍：那么在您的科研生涯中，您有特別的目標(biāo)嗎？

Majer教授：倒也不是太具體，可以說，我從小就被對(duì)技術(shù)的好奇心驅(qū)動(dòng)著。我對(duì)技術(shù)充滿興趣，這也是我選擇這條職業(yè)道路的原因，同時(shí)也讓我有機(jī)會(huì)走遍世界。我只是單純地被物理吸引，喜歡在實(shí)驗(yàn)室里做研究。不過可以說，我的一個(gè)目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律、新的效應(yīng)。希望有一天我們能發(fā)現(xiàn)一些完全不同的東西，能夠改變世界，這也許是我的一個(gè)目標(biāo)。

墨子沙龍：當(dāng)您來到中國后，您覺得在中國做科研和在世界其他地方做科研有什么不同？您中國的學(xué)生和同事們有哪些不同的科研習(xí)慣？

Majer教授：在和學(xué)生一起工作時(shí)，我發(fā)現(xiàn)確實(shí)存在一些差異。例如，中國的學(xué)生非常勤奮，學(xué)習(xí)和工作都很快。但有時(shí)候，我會(huì)覺得他們對(duì)整體大局的把握稍顯欠缺。

另外，在我之前所在的大學(xué)，非常強(qiáng)調(diào)在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際操作和實(shí)驗(yàn)技能。因此，我現(xiàn)在仍然需要教授學(xué)生很多這類內(nèi)容。不過好的方面是，我們大學(xué)有非常熱情的學(xué)生，我也非常喜歡和他們一起工作。我的同事們?cè)诟髯缘念I(lǐng)域都有非常出色的職業(yè)生涯。很多和我同級(jí)別的同事都有海外經(jīng)歷，能夠和他們一起工作真的很愉快。

墨子沙龍：聽起來很不錯(cuò)。我們也知道，您曾在墨子沙龍制作的短片中扮演了重要角色。如果您不是科學(xué)家，您會(huì)選擇成為一名演員嗎？

Majer教授：我覺得這并不在我的計(jì)劃里。我之所以參與墨子沙龍的短片，是因?yàn)槲覍?duì)物理和物理效應(yīng)非常著迷，而且還想親眼在舞臺(tái)上看到這些現(xiàn)象的發(fā)生。我真的是一個(gè)實(shí)驗(yàn)派吧，這也是我教學(xué)工作的一部分。

墨子沙龍：是的，我們能感受到您對(duì)物理的熱情。那么，與您的學(xué)生時(shí)代相比，如今年輕科學(xué)家面臨哪些新的挑戰(zhàn)？您能給剛開始研究生階段的學(xué)生一些建議嗎？

Majer教授：對(duì)我來說，這個(gè)問題有點(diǎn)不好回答，因?yàn)橹袊臀掖谋容^久的歐洲或美國還是不太一樣。總的來說，我給學(xué)生的建議是：追隨你的熱情。你有熱情，就去堅(jiān)持，但同時(shí)也要投入努力。沒有人光靠熱情，卻不努力就能成功的。不過，如果你對(duì)某件事沒有熱情，或者你真正熱愛的另有其他，就不要因?yàn)楦改富驅(qū)煹钠谕惨邔W(xué)術(shù)道路。去做你真正感興趣的事，那樣你才能發(fā)揮得最好，最踏實(shí)努力。

墨子沙龍：我們聽說您的中文說得很好，能不能用中文給我們的讀者說幾句呢？

Majer教授：歡迎大家！我是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的教授。不過我得說，其實(shí)我的中文并不好，我在學(xué)習(xí)中文方面真的很費(fèi)勁。雖然疫情期間有很多困難，但有一點(diǎn)還是挺好的——就是讓我有機(jī)會(huì)學(xué)中文。因?yàn)樵诰频攴块g隔離 21 天，確實(shí)有時(shí)間學(xué)一些中文詞匯。不過，現(xiàn)在我實(shí)在太忙了，完全沒有進(jìn)步，感覺挺受挫。我只是盡量去用中文，也許這就是為什么大家覺得我的中文……嗯，反正不是最好的。

墨子沙龍：我覺得您的中文已經(jīng)很不錯(cuò)了。非常感謝您今天來到這里，也謝謝您帶來的精彩分享。

文字整理：程歡