段路明：“原子上帝”載譽(yù)歸來(lái)

2024年10月，第十六屆量子通信、測(cè)量與計(jì)算（QCMC）國(guó)際大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)交叉信息研究院教授段路明被授予2024年度國(guó)際量子獎(jiǎng)，以表彰其在量子通信和量子計(jì)算領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，特別是其提出的用于長(zhǎng)距離量子通信的DLCZ量子中繼方案、用于可擴(kuò)展量子計(jì)算的Duan-Kimble方案和近期實(shí)現(xiàn)的包括300個(gè)離子量子比特的最大規(guī)模的離子量子模擬計(jì)算機(jī)。由此，段路明成為第二位獲此殊榮的中國(guó)物理學(xué)家。

段路明出生于安徽桐城一個(gè)普通家庭，于中國(guó)科技大學(xué)獲得學(xué)士和博士學(xué)位。為了在量子研究領(lǐng)域愈走愈遠(yuǎn)，段路明決定赴美深造。

在美國(guó)期間，段路明成為第一個(gè)獲得斯隆研究獎(jiǎng)的中國(guó)學(xué)者；時(shí)隔一年后，又獲得海外華人物理學(xué)會(huì)杰出研究獎(jiǎng)，被歐洲媒體贊譽(yù)為“原子上帝”。為了留住他，美國(guó)密歇根大學(xué)在2012年授予其終身教授資格。然而，即便這么多榮譽(yù)加身、美國(guó)國(guó)籍向他招手，段路明仍然選擇了報(bào)效祖國(guó)。

2018年，段路明辭去美國(guó)密歇根大學(xué)費(fèi)米講席教授職位，全職回到清華大學(xué)，扎進(jìn)量子力學(xué)的研究中。他完成了量子信息領(lǐng)域系列開創(chuàng)性工作，提出DLCZ量子中繼方案和網(wǎng)絡(luò)量子計(jì)算方案，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離量子通信和可擴(kuò)展量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)；提出通過量子網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)進(jìn)行規(guī)?；孔佑?jì)算的方案，為近期離子量子計(jì)算的規(guī)?；l(fā)展奠定了基礎(chǔ)；其提出的量子糾纏判據(jù)在量子信息領(lǐng)域大量應(yīng)用。

2024年5月，段路明帶領(lǐng)研究組首次實(shí)現(xiàn)基于數(shù)百離子量子比特的量子模擬計(jì)算，將原來(lái)的離子量子比特?cái)?shù)國(guó)際記錄（61離子）往前推進(jìn)了一大步。該成果研究論文在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》官網(wǎng)在線發(fā)表，被審稿人稱為量子模擬領(lǐng)域的“巨大進(jìn)步”“值得關(guān)注的里程碑”。

離子阱系統(tǒng)被認(rèn)為是最有希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子模擬和量子計(jì)算的物理系統(tǒng)之一。多個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了離子量子比特的高精密相干操控，該系統(tǒng)的規(guī)?；徽J(rèn)為是主要挑戰(zhàn)。段路明帶領(lǐng)研究組利用低溫一體化離子阱技術(shù)和二維離子陣列方案，大規(guī)模擴(kuò)展離子量子比特?cái)?shù)并提高粒子陣列穩(wěn)定性，首次實(shí)現(xiàn)512離子的穩(wěn)定囚禁和邊帶冷卻，并首次對(duì)300離子實(shí)現(xiàn)可單比特分辨的量子態(tài)測(cè)量。進(jìn)而利用300個(gè)離子量子比特實(shí)現(xiàn)可調(diào)耦合的長(zhǎng)程橫場(chǎng)伊辛模型的量子模擬計(jì)算。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為進(jìn)一步研究多體非平衡態(tài)量子動(dòng)力學(xué)提供了強(qiáng)大的工具。