百万青橙奖今年颁给他:32岁中科大副研究员 搞量子力学

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  最新一届青橙奖得主,潘建伟、陆朝阳的得意门生,张口却是“我比较笨”?

  他叫陈明城,中科大副研究员,被导师陆朝阳称为“古典的真正的学者”。

  但在得知自己获奖后,他的第一反应却是意外,直言“自己属于平庸的一类”、“其他优秀的人更多”。

  话虽如此,梳理他的科研成就会发现,他的能力并不普通:

  证明虚数不“虚”、自然数不“自然”并登上顶刊《物理评论快报》,还是“九章”量子计算优越性实验论文的共同一作。

  

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  陈明城身上的反差点还不止如此。

  身为学者,喜欢解决问题,却不爱写论文;打从读博开始,就没想过出国留学;不喜欢包装……他身上的很多特性都和当下人们追求的热点正相反。

  如果说他身上有什么跟90后更贴近的特质,那可能就是“社恐”。

  用他自己的话说,就是“喜欢用表情包,因为不用说话”。

  这究竟是怎样一位学者?

  硬核研究成果

  先来看看陈明城的科研成果。

  截至目前,他共发表研究论文40余篇,谷歌学术引用7000余次,其中以第一作者(含共同一作)或通讯作者发表论文11篇,单篇引用最高1100余次。

  

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  在青橙奖的官方介绍中,他的获奖理由是——致力于探索量子力学基础问题,并助力实现了“量子计算优越性”。

  陈明城一直同时在量子力学的基础理论和实验两个方面开展工作。

  他的一大成果,是在数学的量子客观实在性方面,证明了虚数不“虚”、自然数不“自然”。

  

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  很长一段时间里,复数在量子力学中被视为一种方便的辅助工具,但到底是否必要还存疑。

  比如薛定谔本人,在最初推导波函数方程时,就尝试过避免用到虚数i。

  而就在今年初,陈明城和同事们终于用超导量子方法证明:复数是量子力学的必需品,数学家想象中的虚数并不“虚”。

  这个结果,引发广泛讨论。美国物理学会Physics网站和Nature分别邀请国际专家撰写了相关Viewpoint和News & Views评论文章。

  此外,针对另一个更基本的数学对象——自然数,陈明城的工作是证明了自然数并不“自然”。

  自然数有一些基本属性,其中一个我们熟悉的是鸽笼原理(抽屉原理),当我们将三个物体放进两个盒子中,必然有一个盒子中的物体数量是大于1。

  陈明城的一个工作是对单个光量子进行计数,来检验量子世界中的鸽笼原理。

  他观察到,3个光子通过2个通道,结果每个通道中的光子数都不大于1。

  这个结果动摇了一直以来对自然计数法则的坚固信念,也展示了量子世界中关于客观存在性的反直觉特性。

  另外一个令人瞩目的成果,是在九章和祖冲之二号量子计算原型机上通过经典困难的量子采样打败了超级计算机。

  2020年12月4日,潘建伟团队构建的76个光子的量子计算原型机“九章”问世并刊登在Science上,陈明城正是共同一作之一。

  

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  相比一年前谷歌推出的53个超导量子比特的计算机“悬铃木”,在处理高斯玻色取样(一种用来展示量子优越性的特定计算任务)上,“九章”的速度等效地快100亿倍。

  同时,“九章”通过高斯玻色取样证明的量子计算优越性不依赖于样本数量,克服了谷歌53比特随机线路取样实验中量子优越性依赖于样本数量的漏洞。

  这也意味着中国成为了全球第二个实现“量子优越性”的国家,并且后来居上。

  而在“九章”的研发过程中,陈明城一直担任着重要的角色。

  在高斯玻色取样过程中,他作为理论负责人负责方案改进、数据分析验证。

  在最关键的优越性、验证环节,由于量子计算的样本规模过大,且他们的实验过于超前没有理论可借鉴,研究团队想了很多方法,最终是陈明城提出了新的HOG方案,实现了光量子优越性的证明。

  这套新的HOG方案引起了国际同行的巨大关注,也成为了很多算法专家想要破解的目标。

  有一次,玻色采样提出者、随机线路采样提出者和量子光学专家聚在一起讨论最近的一次攻击算法,HOG成功抵挡住了最新的攻击。

  不仅如此,“九章”诞生后的第二年,潘建伟团队又发布了超导量子计算机“祖冲之二号”。

  也是陈明城,从理论上界定了随机线路采样计算复杂度的边界(PRL124,080502(2020)),并设计了66量子比特的“祖冲之二号”最初架构。

  

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  △祖冲之二号量子处理器图(图源:中科大官网)

  成果如此,但陈明城心里,总是认为自己的贡献相对整个团队来说很渺小。

  他的科研生涯起点颇高:刚从厦大本科毕业,进入中科大读博,就师从有“量子鬼才”之称的陆朝阳。

  要知道,从2011年博士毕业回国入职中科大后,陆朝阳就一直是潘建伟团队的重要成员之一,十余年来,潘建伟团队已经发展成为在量子信息科学领域国际领先团队之一。

  潘建伟院士则是国际上量子信息实验领域的开拓者和先驱之一,回国后带领着中国量子研究跻身于世界第一方阵。今年诺贝尔物理学奖得主之一安东·塞林格的学术成果中,就有潘建伟的贡献:

  颁奖委员会提到的安东·塞林格的四篇量子通信实验文章中,潘建伟是其中两篇文章的第一作者,两篇文章的第二作者。

  同时,颁奖委员会还提到另外三篇文章,而这三篇文章都是以潘建伟为首的中国科学家独立开展的研究工作。

  “如果不是在这个大团队里面,那我可能就不会走得这么顺利吧。”陈明城这样对我们说。

  不爱写论文,没想过出国

  能在量子力学之路上走到现在,陈明城还提到了一个关键词:兴趣。

  而这份热爱,最早可以追溯到他的高中时期。

  中学时,他曾一度很喜欢化学,但是后来他发现,想要深入研究的化学问题,到最后往往会变成物理问题。

  比如说化学键之间的连接为什么能够形成,或者分子的运动,最后发现都要回到物理上。

  

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  因此他得出结论,如果能研究物理,就可以更加清晰地理解其他东西。

  所以高中毕业后,他果断选择了物理专业。

  而真正接触到量子计算要从大四才开始,在老师的带领下,陈明城发现这个领域“特别有趣”:

  实现量子计算,有各种各样不同的系统,比如说光学、超导、原子,每个系统看起来都不一样。

  老师向我介绍了光子这个概念,光子有很多有趣的性质,讲起来感觉特别简单,但是它又很有趣,一下子我就被吸引了。

  在陈明城心中,量子力学有着简洁优美的美感:

  它是一个很简单的线性代数系统,在这些很简单、很基本的规律下,可以产生很多很有意思的、很吸引人的现象,所以它既简单又丰富。

  不仅如此,在他心里,量子物理的实验也有一种复杂工程的美,比如说“九章”需要两个房间的复杂装置,但是它做的事情是一个数学上很纯粹又很困难的量子采样问题。

  

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  △光量子干涉实物图(图源:中科大官网)

  对于他纯粹的学术精神,导师陆朝阳教授给予了陈明城很高的评价:

  他不仅在物理深度、广度和直觉上出类拔萃,更是最古典的真正的学者:醉心学术,低调超脱,童心慧智,乐于助人。

  陈明城的“低调超脱”体现在很多方面,比如在青年学者竞争激烈的大环境下,他却不爱把自己的成果写成论文。

  在他眼里,比起写论文,他更喜欢解决问题的过程。

  尽管陈明城的很多成果都备受关注的,但他总是说自己“比较一般”,“写了也不会对别人有大帮助”。

  还是导师陆朝阳教授耐心地解释,科学就是一个社区合作,不管贡献大、贡献小,只要写出来了,就可能会对某些人有帮助。

  而且如果工作做了,却没有告诉别人的话,那在科学上的意义就等于零。

  就这样,陈明城才逐渐改变自己,现在的他会主动写论文,但仍然“不太积极”。

  除此之外,与很多学者的求学轨迹不一样的是,陈明城没有出国读书的经历,是一位完全本土培养的学者。

  他自己坦言 ,没有想过出国一是由于自己英语不太好,可能会不适应国外环境。

  第二,也是最重要的,是国内的科研环境越来越有竞争力,自己所处的潘建伟团队也有着超强的科研实力,出不出国区别并不大。

  是个社恐,喜欢看武侠

  而事实上,陈明城对科研的纯粹追求,也影响了他对待生活的态度。

  在某种程度上,他的科研和生活并没有明确的分界线,而是相互交融在一起。

  他坦言自己有些“宅”,而宅在家最常做的事还是:科研。

  倒也不是没有别的兴趣探索,比如打游戏,但最终“因为太菜就不玩”了。

  

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  至于社交方面,跟大多数同龄人一样,陈明城很喜欢发表情包。原因是“社恐”:

  因为发表情包就不用说话。

  而如果你坐下来跟陈明城聊聊天,也会发现,他的回答总是非常简短,直击主题没有废话。

  

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  与大家想象中不同,虽然身为科研人员,但他并不太喜欢科幻小说、电影,他说是因为平常研究里有一些有意思的东西本身就挺科幻的。

  与科幻题材相比,他反而更喜欢武侠。

  偶尔吃饭间隙会看看武侠剧,是个金庸迷,自称最喜欢的武侠人物是乔峰。

  尽管谈起自己的成果,他总是表现的很谦虚,也反复强调与侠客之道不同的是,在科研一途中,团队协作非常重要。

  但在别人眼里,陈明城本人未尝没有追求纯粹的侠客之风。

  就像导师陆朝阳对他的评价中所说:我在学术报告结尾部分经常致谢的“翩翩少年侠客行,朗朗乾坤满天星”、“超尘拔俗、卓尔不凡”学生群体中,最典型代表之一就是陈明城。


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