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光学大家 | 专访Peter Knight爵士，跨越半世纪的量子光学旅程

发表时间：2021-10-29 10:03作者：传承辟新的


编者按：

Peter Knight，现任英国帝国理工学院物理系高级研究员，英国国家量子技术计划战略顾问委员会主席，英国国家物理实验室量子计量研究所主席。曾任英国帝国理工学院副校长，英国物理学会(IOP)主席 (2011-2013)，帝国理工学院管理委员会和理事会成员，他也是美国光学学会(Optica)的前任主席，Optica基金会的董事。由于在光物理方面的出色工作，2005年他在英国女王生日授勋名单上被封为爵士。
近日，Knight爵士接受了Advanced Photonics 特邀编辑南京大学马小松教授的采访。在采访中，Knight爵士回顾了量子光学的诞生与发展，介绍了自己长达60年在量子光学领域的研究经历。他介绍了自己与学生在该领域的重要成果，以及发现这些成果的趣事。他还列举了全球最新的量子科技进展，描绘了可能会对人类社会产生的变革性影响。
Knight爵士是英国国家量子技术项目的领导者之一。在访谈中，他回忆了该项目从无到有，从大学延伸到工业界、政府部门并共同发展的历程。当今量子光学领域的许多顶尖物理学家都是Knight爵士的学生。他分享了自己在培养学生方面的理念和观点：尊重和欣赏年轻人的能力非常重要。在访谈最后，他回忆了20世纪70年代，当他还在罗切斯特大学做博士后期间，与多位量子光学奠基人共进午餐，讨论学术的时光。时隔近50年，他还清晰记得：当听到Mandel（量子光学奠基人之一）介绍双光子干涉（又名Hong–Ou–Mandel干涉）的奇异量子现象时，心中的那份兴奋之情。正是这份对科学的激情与热爱伴随着他半世纪的量子光学旅程！


英文采访已全文刊登于Advanced Photonics 2021年，欢迎查看：

https://www.researching.cn/articles/OJ2e806e1772fef70b/html

马小松：您为什么选择量子光学作为专业，能分享一下您在量子光学领域的研究经历吗？

Peter Knight：20世纪60年代中期，当我还是个学生，已经开始思考现在称之为量子光学的东西。量子光学在那时处于发展初期，当量子性质在光学实验中显现出来时，才开始呈现迅速发展的迹象。这一领域最初被称为“量子电子学”，而“量子光学”则是被极少数关心光量子性质的物理学家所使用的术语。
本科时，我就从事这方面的工作。像许多学生一样，为了证明可以做一些原创性的工作，我选择参与项目——研究光学泵浦。我对制作一个铯原子气室，并监测光泵浦过程中的所产生的相干瞬态这一过程很感兴趣，但当时我的工作是在射频范围内，用非常简单的实验和仪器完成的。这些实验都是用热光源做的，而不是现在采用的可调谐激光器。
我发现量子光学非常迷人，也因为我当时做这个实验的仪器非常简单，所以让我有些飘飘然，自认为可以成为一个实验物理学家。当我开始攻读博士学位，做的项目需要理论与实验相结合时，我很快发现自己完全不能胜任实验工作，实验物理学家于我而言并不合适。当我说“我最好还是转做理论”时，实验室的其他人可能都很高兴。这段旅程是一个意外，尽管它很迷人。
于是，我的博士阶段转做理论，但在后来的工作中，我一直与身边的实验物理学家保持着非常密切的联系，与杰出的实验物理学家交流讨论，同做实验的同事一起工作。我想这在当时的英国是不寻常的，因为通常理论学家和实验学家在不同的院系。
取得博士学位后，我去了美国罗切斯特大学做博士后，与Joseph Eberly（前美国光学学会主席，国际著名量子光学专家）一起工作。我需要再强调一次，一个真正强大的理论学家，总是和实验学家一起工作。我在Eberly的团队中度过了美好的三年时光，与非常伟大的人一起工作，并且第一次真正理解了如何组建团队，如何规划长期的职业生涯。
我于1974年回到英国。当时整个英国，对量子光学理论感兴趣并开展相应学术工作的人大概只有四五个。这是极少数人的兴趣，但这确实令人兴奋，因为进入一个新领域的体验很美妙。当时英国量子光学的领导者之一是埃塞克斯大学的Rodney Loudon（英国著名物理学家，《光量子理论》作者），同样地，Rodney也与实验学家密切合作，他对我的职业生涯有深刻影响。
期间我获得了多种基金资助，让我第一次拥有了研究生。我与美国导师一起共同指导研究生。这段经历给了我与真正有才华的人一起解决棘手问题的经验。独自工作，你可以做一些事情；但是和一群志同道合的人一起工作，你可以做得更多、更好。
1979年，我加入帝国理工学院。我的研究小组扩大了，几乎成了系里的一个子系，有很多做实验的同事参与进来。在美国工作回到英国的经历让我明白，科研活动是国际性的。在与世界各地研究者的合作中，我受益匪浅，我的团队在最高产时变得非常国际化。我相信这对每个人来说都是很好的借鉴：和世界上最好的人一起工作，你可以做很多事情。

马小松：您提到在上世纪70年代，在量子光学这一学科萌芽时介入并开始研究是美妙的。当今，量子信息是新兴技术，您对量子信息有什么看法？您认为我们现在处于这个领域的哪个阶段？

Peter Knight：这真是个好问题。量子信息科学诞生于量子光学，科研工作者在量子光学领域进行了长期的、大量的基础研究，量子计算、量子密码等都是从基础研究中产生的。实现这些东西需要花费相当长的时间。在某些领域，我们取得了巨大的进步，但仍有一些难题需要解决。我认为我们已经对很多物理现象非常接近并具有一定理解。虽然推广这项技术才是真正的挑战，但我们确实了解了许多事情。
全世界对量子计算有着极大的兴趣。人们正在研制出色的原型机，我们看到中国潘建伟院士团队最近成功实现了压缩态玻色子采样与超导芯片随机线路采样，取得了巨大的进步，证明了量子优越性。
现在，也许只有我一个人在担心吧，我不认为我们真的理解量子优越性的起源。为什么我们能获得量子效应带来的加速？量子优越性的本源是什么？我们知道有量子纠缠、相干性、量子非局域性。但是，人们对量子计算的引擎知之甚少。是什么给了我们优势？我们有一种未知的力量，将为我们在信息技术方面带来巨大的优势，但这种优势的起源仍有待探索。
所以，假设“我现在还是个学生，会如何选择未来的研究方向”，我会回答：如果我重新开始，这是一个真正需要解决的大问题——我们知道它开始运转了，但是为什么它会运转呢？顺便说一下，我很少对资助我们的政界说这句话。

在成熟的领域里，年轻的学生经常有一种感觉，在这个已确立的学科中，年轻科学家想取得成就相当困难，因为很多工作已经做了，他们只能做一点点增量或优化的工作。但在一门新学科中，你可以成为游戏规则的制定者，你可以提供革命性的观点与方式。
新进入一个领域的研究者可以改变研究主题。我以前最著名的学生之一是Artur Ekert（牛津大学教授，荣获2018/2019年度墨子量子奖）。在他博士生涯的最后几个月，他提出了基于纠缠态的量子密码学。事实上，我们关注量子关联已经有很长时间了。他在贝尔不等式方面做了大量的工作，所以他在博士学位即将结束时进行量子关联的应用研究是很自然的事情。
在一个新兴领域，年轻人可以带来多大的变革。比如牛津大学的Andrew Steane，他尽管不是我的学生，但我很了解他。在他早期的研究生涯中，他与别人共同发明了量子纠错码，这对目前大规模的量子计算非常重要。这就是为什么在量子信息科学领域，世界上最聪明的一些年轻人想要从事这方面的工作。这很吸引人，也有巨大的挑战，但他们知道自己可以做出改变。

马小松：您刚才提到Artur Ekert，他对贝尔不等式、纠缠等的研究主要是基于量子物理学的基础研究。当时，您和您的学生是否设想将这种基础研究转化为应用？

Peter Knight：现阶段的一些物理进展仍然需要大量的工程研究。我们可以建立基于纠缠的量子通信，甚至可以像墨子号一样，通过卫星在光纤和自由空间中进行长距离量子通信。量子通信有巨大的潜力，信息安全的传输只是问题的一部分，我们必须能够处理系统的整体安全性。我们需要通过真实仪器的安全性来证明，而不是理想化的仪器。这项工作仍然正在进行中，我们不想看到量子通信系统只在理论层面上是安全的，但在实际工程应用中有缺陷。
我认为量子通信的实现和安全性方面还有很多工作需要进一步研究。但是看到像量子纠缠这样奇特现象正在孕育一个新的行业，这是很奇妙的。我见过贝尔本人几次，我想他会对这一切发展感到惊讶。贝尔实际上是一个偏实验的物理学家。他的本职工作致力于加速器的设计，在职业生涯的大部分时间里是一名加速器科学家，基础量子物理的理论研究工作是他的业余爱好。我猜他并没有想到自己的工作会成为一个全新产业的基础。
量子可以带来变革，不仅仅是纠缠，还有相干性。毕竟，原子相干性是现代技术主要驱动力之一，是全球定位系统、星载原子钟等的物理基础。人们没有意识到，在世界各地的导航和计时系统完全依赖于保持原子自旋相干性。当人们说量子技术是一个尚未证明自己的新事物时，我总是提醒他们，我们已经走了很长的路并取得了成功：全球定位系统依赖于量子相干性，对世界经济做出了巨大贡献。

马小松：我们讨论了叠加、相干以及纠缠，这些是量子系统的主要特征，被应用于这场新的量子革命。您认为还有未被发现的量子特征可能是有用的吗？

Peter Knight：就有用性而言，我们开始理解局限在哪里、优势在哪里。我们已经在电磁场探测、引力的量子传感器领域看到了这一点。并且，这些技术发展迅速。我1967年开始从事光学泵浦相关研究，现在我们可以建造非常小的光泵浦系统并用于检测大脑中的电磁信号，一个真正紧凑的传感器，就像一个自行车头盔，用于监测大脑活动。这一领域的发展之一是在诺丁汉从事量子技术的研究者们，他们建造了一种大脑传感器，已经被医院的外科医生用于治疗癫痫。这是一个监视大脑活动的量子传感器，被用来指导外科医生的手术刀。真的太神奇了。
有了电磁传感器，可以探测到其他东西。比如：在建设新建筑之前需要了解地基情况，哪里有隧道，哪里有空隙等，却很难弄清楚地下是什么，为此，在土木工程上已经浪费了大量的资金。但运用量子技术，一个可以测量重力差的量子干涉仪已经可以告诉你地下是什么了。世界上有很多人正在建造测量地面基础设施的冷原子干涉仪。这很有趣，我们可以绘制地下世界的地图，而且不必花费数十亿去挖掘道路，找出管道在哪里。单粒子干涉仪是量子物理最基础的实验之一，而我们正在用它来找出排水管在哪里——真是实用和未知的完美结合！
现在我们仍然在思考一些更基础的事情，我们并没搞清楚量子计算的力量来自于什么。在这个领域中所做的大部分工作都是建立在假设之上，即当前对量子力学的认识是正确的，也就是叠加和线性。真的是这样吗？或者从非常灵敏的实验中获得证据，证明存在比已知线性量子力学叠加更多的东西吗？人们开始思考这个问题，在世界各地，科研工作者开始研究如何利用量子技术的超高灵敏度，检测我们是否真的了解所有的基本自然法则。而且我们向大众承诺这会奏效。同样，实验的敏感性可以帮助探索基础科学中的新事物。

马小松：用量子力学来探索引力效应，对于基础研究来说是非常有趣的。您的意思是，对于使用高灵敏量子传感器探索引力效应的研究人员来说，这也可能是一个潜在的新领域？

Peter Knight：探测暗物质是现代物理学的一大难题。人们开始关注量子技术是否能成为探测暗物质的有用工具。宇宙的大部分是由我们不知道的东西组成的：暗物质、暗能量。关于宇宙中占主导组成部分的情况，我们怎样做才能让人类知晓呢？量子技术已经开始为如何做到这一点提供线索。干涉仪可以探测到建筑环境中的重力变化，如果能大规模工作，也许就能探测暗物质了。这是世界上一些非常有想法的人正在做的事情。

马小松：当今量子光学领域的许多顶尖物理学家都来自您的团队。能和我们分享一下您在指导和推动年轻科学家和学生的秘诀吗？

Peter Knight：这没有什么秘密，但有些事情很重要。第一，尊重他人。尊重、同情以及欣赏别人的能力非常重要。在某些科学领域，大科学家做了所有伟大的事情，得到了所有的荣誉，其他人担任着辅助职位，这是某些科学研究的典型工作模式。但在一个新兴的领域，这可能不是最好的方法，因为事情在以令人惊讶的方式出现。
在我职业生涯的早期阶段，在展示独立性中我确实受益匪浅。但当我组建自己的团队时，我已经27岁了，是时候给年轻人独立成长的机会，或许他们能够改变这个领域。我一生中大部分时间是作为一名大学教授度过，老师的全部意义在于培养，鼓励下一代学者，这是我们的工作。所以，让最优秀的人进来，给他们良好的机会，同时找到让他们早日独立的机制。这就是诀窍。尊重他们所能做出的贡献，整个领域都会受益。不仅如此，还会有优秀的人想和你一起工作。
我将隆重介绍我的一些学生，尽管他们可能会感到尴尬。我上面提到了Artur Ekert，Artur博士毕业后立即获得了基金资助，开始独立承担工作。Stephen Barnett是我另一位非常聪明的学生，他也很快获得了基金资助，现在是苏格兰皇家学会的研究教授。Barry Sanders是我的另一位学生，他在卡尔加里任教。
给年轻人一个展示个人学识与潜质的机会真的很重要，他们蓬勃发展，这个领域蓬勃发展，两者互相促进。我认为指导也很重要，我希望更多的人能更多地关注并指导学生，因为这才是这个领域真正有效发展的方式。我的学生，比如Vlatko Vedral，现在是牛津大学的教授；Myungshik Kim，是我在帝国理工学院的继任者之一。他们中的许多人都做了非常杰出的工作。

马小松：据我所知，您是英国建立量子技术项目的领导者之一。您能简单地给我们讲讲该项目的历史吗？立项之初是否遇到困难？您认为这个项目在未来5年的发展方向是什么？

Peter Knight：我们在量子光学和原子物理等领域有良好的科研背景，并得到了外界的认可。2010年前后，操纵和控制单个量子系统，并逐步应用到具有工程重要性的事务上，是我们项目的重点。

那是一段令人兴奋的时期，我们开始思考如何将量子科学转变为量子技术。在英国，我们在该领域有真正的优势。但我们意识到，如果能把诸如工业、政府部门、大学等合作伙伴团结起来，可以做得更多。国家计划可以让每个人都参与其中。我们开始讨论这个想法，设法从外界得到一些支持，促使这个项目成功。我们讨论了很长时间，突然间这个项目被推动了。
我记得在2012-2013年，我们为政界写了关于量子物理学能做什么的报告，报告篇幅很简短，之后财政部长想要一份4页的总结；然后首相说，能给我一份1页的总结吗？后续的进度非常迅速。2013年底，我们就获得了2.7亿英镑的资金用于建设这个国家级项目，这在当时是一大笔钱。我们又增加了其他内容，第一个时期的投入总资金约5亿，建设了与工业界合作的枢纽。我协助写了一个五年资助的愿景，现在有大约10亿资金支持项目。这意味着我们可能比其他人更早执行交叉合作项目。
其他国家一直都有非常强大的量子科学项目，但协调量子科学的想法相对较新。量子科技吸引了不同领域的专家——工程师、计算机科学家、物理学家、政府人员等等。这真的很有趣。英国量子技术国家计划聚焦量子传感、量子通信、量子成像以及量子计算等领域，这几大支柱也已经成为世界范围内其他研究项目的主要发展方向。欧盟量子旗舰项目反映了这一点，美国的国家量子计划（National Quantum Initiative，NQI）项目也反映了这一点，所以我认为我们的基本方向是对的。

马小松：我相信英国的量子研究人员会感谢您向政府倡导提供长期稳定的资金支持。此外，这样一个国家项目也会激励其他国家投资量子技术。我们大家都应该非常感谢您的努力。

Peter Knight：谢谢你能这样说。正是整个量子技术领域的活力、热情和兴趣让它变得有价值。看到世界各地正在发生的事情非常兴奋。我记得当我在罗切斯特大学做博士后时，我会和办公室里的人一起吃午饭。我周围办公室的人有Emil Wolf（光物理学先驱，《光学原理》作者）, Leonard Mandel, Joseph Eberly以及Carlos Stroud（美国物理学家，量子光学领域先驱）。作为一名年轻的研究人员，接触他们这样的量子光学奠基人对我来说非常重要。这证明了科学知识是多么令人兴奋，让你想真正成为其中的一部分，一生都为之着迷。
量子光学中非常重要的实验现象是Hong–Ou–Mandel干涉——双光子以一种有趣的方式干涉。我第一次听到这个概念是从它的发现者Leonard Mandel那里：如果你把两个相同的光子放入分束器，它们会从分束器的一端输出，而不是一个光子从一端、另一个光子从另外一端输出。午餐桌上的其他人问这是真的吗？当听到这些令人惊叹的事情时，那真是太棒了。这就是为什么应该做科学，这是每个人文化体验的一部分，对新的发展感到惊讶。
让我用一个门生的例子来结束今天的采访，我只能部分地声称他是我的门生，因为他不是我的学生，他和我一起做过一段时间的博士后，后来成为了教授。他就是Terry Rudolph。
Terry是量子计算公司PsiQuantum的创始人之一，对基础科学做了一些极具前瞻性的思考。PsiQuantum公司最近进行了一次重大融资，就在两周前，纳斯达克对其估值为31.5亿美元。谁会想到他仍然在撰写精彩的基础科学论文，同时，作为理论家与 Jeremy O'Brien和Pete Shadbolt等人领导着实验工作，他们已经用这种方式建造了一个量子引擎，现在价值30亿美元。
Terry Rudolph研究基础物理，建立了世界上最大的量子计算公司之一，那是一次惊人的旅程，但这建立在世界各地科学家数十年辛勤工作的基础上。
Terry是英国人，但他是在澳大利亚和马拉维长大的。Jeremy O'Brien是澳大利亚人。这种集体合作的能力，让世界上最好的人和我们一起工作的能力，真的很有趣。中国有潘建伟和他的团队，在实现大规模量子网络和实现量子计算优越性方面取得了世界级的成果。世界各地的科学领导者正在改变人类。

撰稿 | 马小松 南京大学

编辑 | 丁洁 吕璇

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