李晓鹏：在不确定的量子世界追寻可能

原创 朱海嘉 复旦青年

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在广西玉林高中开展的量子科学科普讲座上，李晓鹏为高二学生讲述量子科学的前沿发展，一位学生站起来说：“我本来想学更有直接应用的学科，但是听了您的讲座后，我决定还是要学物理。”这让他看到，虽然很多人因为鲜有机会了解理论物理领域最前沿的研究，在社会和父母的影响下不会选择理论物理这样一个他人看来无聊且难获名利的方向，但是通过自己的科普，会有更多优秀的人热爱物理、选择物理，“哪怕只有这一个同学有所改变，也是值得的”。

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复旦青年记者 朱海嘉 主笔

复旦青年记者 朱新颜 编辑

在复旦大学江湾校区的物理楼一层，李晓鹏不大的办公室拥有一扇可以望见草坪的窄窗，靠窗的“L”型木桌上，成摞的打印资料包围了电脑显示屏，《经典电动力学》、《现代原子力学》、《物理学前沿》和《科学通报》等专业书籍、期刊摆放在书架、茶几和沙发扶手上。靠墙是两块画满公式和草图的白板，和一块显示着黑板界面的电子屏，“这是做理论的人喜欢的，”李晓鹏说，“可以写写画画，可以和学生讨论。”

2023年5月，第七届复旦大学青年五四奖章评选终审评审会圆满结束。中共党员，复旦大学物理学系教学科研岗教师、青年“谢希德”特聘教授、博士生导师李晓鹏获得复旦大学青年五四奖章称号。

自己喜欢，社会需要

2005年，正在中国科学技术大学读物理专业的大二学生李晓鹏在一张纸上列出所有专业老师和专业方向，从凝聚态物理、原子分子、高能物理和理论物理中选择了他未来近20年的研究领域——理论物理。2008年，李晓鹏赴美国匹兹堡大学攻读量子信息方向博士学位，并于2013年进入美国马里兰大学联合量子研究所展开科研。2016年，他回国入职复旦大学，在投身量子计算算法和量子模拟等研究领域的同时教书育人。

2022年11月1日，梦天实验舱作为中国空间站最后一块“拼图”成功对接天和核心舱，其上就搭载了李晓鹏参与的冷原子物理相关实验的装置。太空有着与地球不同的重力环境、磁场环境和电磁波的环境，也有更大尺度的开展实验的空间，他们将尖端设备放进太空开展对环境敏感且精度高的量子物理实验，“纯粹用来研究基础物理”，从而验证和发现物理规律。过程中，他的理论物理背景为参与者多为技术人员的实验项目提供了方向性指引。可以期待在未来10年至20年，会有更多空间量子科学的实验开展。

▲梦天实验舱与核心舱交会对接/图源：中国载人航天

空间量子科学相关项目是从基础科学的角度思考的、探索性质的研究，而李晓鹏参与的量子计算和量子信息科技方面的国家科研项目本质上则以应用为导向。他在回国后选择量子计算作为研究方向，是因为这不仅是他“擅长且热爱”的领域，也刚好是“国家的需求”和“国际上竞争的焦点”。在我国半导体行业不够领先的当下，量子计算和量子信息科技方面的研究是一个有可能帮助我国弥补差距，实现前沿科技升级的机会，“如果没有抓住，可能继续落后”。

在他看来，量子计算和量子信息科技是尚有许多问题有待解决的前沿领域。“划时代”的量子计算的计算力显著大于现有计算机。近年来，研究者们正聚焦于量子计算中硬件的提升和算法设计。量子信息科技用于保密通信，可以严格确保不被破密；用于精密测量，可以更高效精准地测时间、测距、测力，甚至可以测量到10的负28次方牛顿的力，相当于两个单个原子相距1厘米时的极微弱相互作用力。

投身国家项目，对李晓鹏来说是“将自己擅长、喜欢的东西和国家、社会的需求结合起来”。“喜欢才能把自己的积极性调动起来，有社会的需求和国家的需求，才能调动足够多的资源做自己喜欢的事。”

高风险，也有高光时刻

李晓鹏的主要学术贡献集中在构建基于单原子量子信息处理器件的高效量子算法，他发表 SCI论文60余篇，总被引2000余次，6篇文章单篇引用超过100次，2篇文章入选ESI高被引。

科研本身在李晓鹏看来是一件高风险的事,从事科研意味着承担“百分之五十的努力付之东流”的风险。不是每一项研究都会有好结果，“如果一项研究一定有好的研究结果，这一般不是真正有价值的研究”。

理论研究需要研究者凝练出“有意思且一定时间内可以解决”的问题，经历理论分析、构建模型、计算结果等步骤获得结果。有时候，研究者受限于研究手段而得到模棱两可的结果，便要面临是继续坚持，还是放弃研究、另寻课题的抉择。

李晓鹏曾在博士后初期花费一年时间尝试一项强关联量子物理严格解的研究，最终却没有得到理想结果。这时，放弃和坚持同样困难，“就像你去挖金子，挖了一年没有挖到，但你不知道再挖一个月会不会挖到”。

而冥思苦想的问题有时会茅塞顿开，李晓鹏把这种时候称为“高光时刻”。

2020年居家办公期间，他和团队正在尝试用原子系统解决图论中图的分解问题。原子系统中，每个原子可以自然地放在立方体的一个格点上，称为立方点阵（Cubic Lattice），只有最近邻的原子之间有相互作用，即原子系统是一个只有局域耦合的系统。而图论问题中，各个节点之间存在长程耦合，如何用原子系统对应图论中的节点呢？

▲立方点阵/图源：TEC-SCIENCE官网

这一问题困扰团队许久，他们尝试了前人思路，但始终行不通。直到一次在小区散步时，李晓鹏灵光一现：能否将原子之间的短程耦合相连，从而得到长程耦合？这一思路成功推进了他们的研究。

但是，这些耦合的连线盘根错节、相互交织，无法直接放入立方点阵的定格中，团队尝试对耦合的连线进行折叠等处理，也以失败告终。一次画图过程中，李晓鹏又一次迎来了“高光时刻”，他突然想到：能不能把每个节点复制几份呢？于是，他尝试将节点间长程的耦合复制出若干层，对每层进行旋转，本来可能在同一平面交织的连线被分离为不同平面的不相交的连线，成功地解决了问题。在解决问题的一瞬间，他“感觉整个人一下子就被点亮了”。

▲李晓鹏为记者讲解原子系统相关问题

科学家在课堂

对李晓鹏来说，如果做科研是“探索未知、惊天动地、开疆拓土”，那么教学就是“义务和责任”。通过努力让所有学生听得明白，就是他的目标，“科研充满不确定性，可能失败，但是教学不允许失败”。

在复旦，李晓鹏教授过本科课程《热力学统计物理》、研究生课程《量子力学研究》和医学院留学生的《基础物理》课程，用他的话说，他“承担了复旦物理系四大力学（经典力学、量子力学、电动力学、统计力学）中的四分之一，责任重大。”

▲李晓鹏在课堂授课/图源：李晓鹏

李晓鹏观察到，现在的自然科学对年轻人，尤其是中小学生的吸引力在下降，原因之一是前沿科学家和研究者没能向他们传递自己对科学的热爱、感动和激情。因此，他热心于科普和科学启蒙工作，参加了上海市英才计划、复旦上中导师计划、华二导师见面会和节目《少年遇见科学咖》等面向中小学生的物理科普活动。

在广西玉林高中开展的量子科学科普讲座上，李晓鹏为高二学生讲述量子科学的前沿发展，一位学生站起来说：“我本来想学更有直接应用的学科，但是听了您的讲座后，我决定还是要学物理。”这让他看到，虽然很多人因为鲜有机会了解理论物理领域最前沿的研究，在社会和父母的影响下不会选择理论物理这样一个他人看来无聊且难获名利的方向，但是通过自己的科普，会有更多优秀的人热爱物理、选择物理，“哪怕只有这一个同学有所改变，也是值得的”。

李晓鹏想做的，是“至少让大家的天平稍微倾斜一下”，告诉年轻人真正的前沿科学是有趣的，也是值得奋斗的。“不要那么功利地去做出自己的选择，跟随自己的兴趣去追求，也会是一个非常酷的人生。”

原标题：《李晓鹏：在不确定的量子世界追寻可能》

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