崔海涛的量子梦

本刊记者 汲晓奇

崔海涛的量子梦

本刊记者 汲晓奇

和我们熟悉的宏观世界相比，无论是那只著名的薛定谔猫，还是两个相距遥远却存在“心灵感应”的粒子，量子世界的种种现象（假设）总是容易颠覆一些人们既定的认识。

量子物理是20世纪最伟大的科学成就之一，有着许多与我们的生活经验截然不同的神奇性质。量子物理与信息科学结合诞生了量子信息。对于这门由物理学、计算机学和信息科学的交叉，而衍生出来的学科的研究看似很复杂深奥，却是当代物理学家们热衷且乐此不疲的领域，来自安阳师范学院物理与电气工程学院的特聘教授崔海涛，正是在这一领域内取得卓越研究成果的学者。迄今为止，崔海涛博士在量子信息领域共发表学术论文22篇，均为SCI

收录，论文总引用次数174次（Web of Science），他引近100次（Web of Science）；2007年发表在Physics Letter A上的论文《A Study on the sudden death of entanglement》已被引用76次（W e b o f Science），他引73次（Web of Science）。其他论文亦有不同程度的引用。

乐于探索量子世界孜孜钻研

1997年，崔海涛进入东北师范大学物理系物理学专业学习。作为四大力学之一的量子力学，因其“充满悖论”而引起了崔海涛的好奇心，并引导他逐步走上了量子信息研究之路。

量子信息在国际上属前沿科学，在上世纪90年代，中国量子信息研究还远远落后于国际先进水平。崔海涛刚开始从事量子信息研究时，当时遭遇的最大困难是资料严重缺乏，那时电子资料不多，他只好勤跑学校图书馆查找、复印自己想要的文献。

如今，经过全球近20年来的研究发展，量子信息已被认为可能是下一代通信和计算机的支撑性技术，并在目前进入了早期产业化阶段。如何抢占这一具有重大战略意义和经济价值的新兴产业制高点，成为当前国际科技竞争中的一大热点。

在这样的国际大背景下，我国也于2006年9月发布了国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年），将以量子调控技术为代表的量子信息技术的研究纳入到基础研究重大科学研究计划当中。

在《纲要》的指引下，国家开始对量子信息研究给予大力支持。崔海涛的研究恰好占领了先机。

在国家自然科学基金项目“几何相与量子纠缠的理论研究”和“多体系统中的量子纠缠及其几何分类的理论研究”的支持下，崔海涛带领研究团队在量子纠缠方向展开深入的探索，并取得了一些深刻的认识。

至于为何要专注于量子纠缠的研究，崔海涛表示，目前的量子信息主要是基于量子力学的相干特征，重构密码、计算和通讯的基本原理。而其中，量子纠缠又起着非常重要且非常基本的作用。一方面，许多重要的量子信息技术都需要量子纠缠的参与才能实现，例如量子远程传态，量子保密通讯、量子密钥分发等；另一方面，由于量子体系与其他自由度的相互作用，这种作用最终导致体系的自由度与其他自由度的量子纠缠，由于环境选择的结果，量子体系的相干性质会在逐渐消失，此即所谓退相干过程。

而时至今日物理学家们对量子纠缠这一奇特的物理性质的理解却是非常的有限，这已经严重制约了量子信息技术的发展。因此建立对量子纠缠普遍的物理理解，是当今量子信息领域最为急迫需要解决的问题之一。

勇攀高峰学术领域声名远播

攀登科研的高峰，注定是一条寂寞的长路。

物理学，一个方程一大串，如果在求解的过程中方法不对头，很容易产生放弃的情绪。

然而，凭借着对科研事业的拳拳挚爱与探索量子世界的浓厚兴趣，崔海涛的学术之路倒也紧凑而充实。

计算机技术使我们进入了崭新的“信息时代”，给人类的工作和生活带来了翻天覆地的变化，计算机的芯片布线密度已达到了0.18μm，而且计算机芯片的集成度遵循摩尔定律以大约每18个月1倍的速度指数增长。可以预见，在不久的将来，芯片元件就会达到它能以经典方式工作的极限尺度。因此，如何突破这种尺度极限是当代信息科学所面临的一个重大科学问题。

同时，研究多自由度量子体系中量子纠缠的物理性质，对于建立对量子纠缠物理性质的普遍理解是非常重要的，也是当前量子纠缠理论研究的重点与难点。

这是因为我们通过对两体纠缠的研究而建立起来的对量子纠缠的理解无法直接推广三体或多体的情况。对于四体纠缠，情况则更为复杂，迄今为止仍无法建立一致的分类。

对于多体纠缠，物理学家们普遍相信总可以对其在SLOCC变换下合理分成可数的几个纠缠类，其他任意的纠缠态可以从对某一纠缠类进行SLOCC操作得到。然而，如何去寻找这些纠缠类，并没有一个统一的观点：SLOCC只是提供了一个最基本的游戏规则，但远远不够。我们需要一些其他的规则或技巧，这些是什么正是理论上急需解决的问题。

“多自由度量子纠缠理论研究的另一个关键问题就是凝聚态系统的量子纠缠与多体效应间的关系。”崔海涛表示。

基于上面的认识，多体系统量子纠缠与量子相变的关联最先引起了人们的兴趣。

一般认为，相变源于组成系统的粒子间相互作用的共同结果，这种相互作用是粒子间广泛关联建立的决定因素。既然量子纠缠被认为是一种特殊的关联，量子纠缠不可避免地广泛存在于多体系统中，并对体系的性质产生不可忽视的影响。通过对相变体系中量子纠缠性质的研究，人们期望可以建立对相变现象更加普遍、统一的理解。这方面的研究已经取得了一些重要且普遍的结果。多体系统的纠缠熵在临界点附近随着粒子数的增加出现发散行为，而其标度因子对应多体规范场理论的中心核（centralcharge）；对于一维自旋链体系，纠缠熵的面积律（area law）已经严格地建立起来。特别是对拓扑相变体系的研究表明，拓扑纠缠熵可以用来区分不同的拓扑序，其标度因子对应拓扑序的量子数，这将多体系统量子纠缠的研究拓展到了非传统的量子相变领域。纠缠谱（entanglement spectrum）也已经被定义，并广泛用于对量子Hall体系相变性质的研究。

取得这些重要成果的同时，纠缠与量子相变联系的讨论仍然有一些问题存在。最近对量子Hall体系中量子纠缠的研究表明，纠缠熵或纠缠谱并不能完全表征拓扑序的存在。而且对Valence-Bond-Solid（V BS）态纠缠熵的研究也指出：纠缠熵随着体系粒子数目的增加，趋于一稳定值。这说明不能用纠缠熵来表征VBS态中string order parameters（SOP），及其描述的拓扑简并的存在。造成这种现象的原因，源于计算纠缠熵或纠缠谱时约化密度矩阵的求解。由于忽略了体系其他自由度的影响，必然造成体系整体信息的部分丢失。这就促使我们考虑多体纠缠度量可以用来完整的反映体系的整体性质，并取得一些重要的认识。

崔海涛博士的研究工作先后得到河南省高校青年骨干教师资助计划和国家自然科学基金的支持。2011年12月入选教育部新世纪优秀人才支持计划。

展望未来，虽然任重道远，但崔海涛的量子梦想却更加清晰。

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