薛鵬，女，東南大學物理系教授，博導。 赴奧地利因斯布魯克大學物理系、奧地利科學院量子光學和量子信息研究所，以及加拿大卡爾加里大學物理系作為博士 后從事量子通信和量子計算的物理實現以及量子光學和原子分子光學物理的基礎研究工作，致力于量子通信和量子計算的實用化和工程化，   2010年入選東南大學優秀青年教師教學科研資助計劃，2011年被東南大學聘為青年特聘教授，2013年獲得江蘇省六大人才高峰項目支持。

教育及工作經歷：

1995年9月-1999年7月，中國科學技術大學，獲學士學位。

1999年9月-2004年7月，中國科學技術大學量子信息重點實驗室 ， 師從郭光燦院士， 獲博士學位。

2004年9月-2006年9月，奧地利茵斯布魯克大學 量子光學和量子信息研究院，博士后。

2006年10月-2009年7月，加拿大卡爾加里大學量子信息科學研究院，資深博士后。

2007年9月-2008年4月，加拿大卡爾加里大學物理系，講師（Instructor）。

2009年10月-2010年12月，加拿大卡爾加里大學物理系，客座教授。

2009年7月-至今，東南大學物理系，教授。

學術兼職：

2008年開始擔任學術期刊the Central European Journal of Physics編委，以及多個國內外學術期刊的審稿人。

培養研究生情況：

在讀博士生4名，碩士生3名，已出站的博士后1名，碩士生1名。

招生信息：

歡迎有意從事量子光學及量子信息方面實驗和理論研究的碩士、博士報考，并歡迎博士畢業生前來做博士后研究工作。

地址: 江蘇省南京市江寧區 東南大學物理 田家炳北樓311

郵編：211189

gnep.eux@gmail.com

研究方向：

量子計算：1982年，美國著名物理物學家理查德費曼在一個公開的演講中提出利用量子體系實現通用計算的新奇想法。緊接其后，1985年，英國物理學家大衛杜斯提出了量子圖靈機模型。量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。具體實現量子計算機，包括硬件和軟件兩個方面。硬件即選擇何種物理體系實現量子態工程，普適的量子邏輯門操作，及量子測量等。而軟件方面則是利用量子力學的基本原理設計開發解決NP問題的量子算法，其優越性遠超越經典算符。最重要的量子算法是針對NPC問題。我們課題組則從以上兩個方面研究量子計算，硬件方面：選擇光子作為量子信息的載體，利用線性光學體系實現量子信息處理，軟件方面：利用量子行走設計開放新型量子算法。

量子行走：量子行走在量子信息中有著廣泛的應用，如利用量子行走開發針對無序數據庫的搜尋算法, 正是因為其擁有優于經典的特性，導致攜帶信息的量子態的擴散速度與經典相比有二次方式的增長。而我們課題組將量子行走作為一個在線性光學體系中易于實現的重要工具，在這方面的工作分為兩個層面：第一，用不同物理體系實現量子行走，研究量子行走的物理意義；第二，利用量子行走相較于經典的不可比擬的優勢，將量子行走作為一個普適的量子信息處理平臺，應用于量子模擬，量子測量和量子態工程等方面。薛鵬教授關于量子行走的學術報告請見這里。

量子計量：人類社會的發展進程從某種意義上講就是測量技術不斷發展進步的過程。在科學實驗以及一些重要的應用中，人們利用光的干涉以及激光等手段大大提高了測量的精度。由于經典的測量手段受到經典物理的限制，使得測量精度有著不可逾越的極限。近年來科研工作者提出利用量子特性來研究提高計量學的精度---量子計量學。量子的方法可以使人們以超越經典物理極限的精度實現某些物理學參量的測量。如何突破經典極限，并向海森堡極限逼近，在近些年來一直是很活躍的研究方向。我們課題組在這方面的工作分為兩個測量：第一，實驗上在線性光學體系中實現高精度的量子測量，包括投影測量，廣義測量和量子弱測量等；第二，利用糾纏及量子反饋控制等方法在噪聲信道中提供測量精度，突破經典極限。

量子關聯：1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出了著名的EPR佯謬，他們以量子力學基本原理為基礎，推導出與經典理論中的定域實在論相矛盾的結論，對量子力學提出了質疑。除了定域實在性，量子力學還與經典的語境實在性相互矛盾，即量子力學中的關聯具有互文性。量子關聯是量子信息中最重要的資源，是量子信息與經典不同的根源，是實現一切量子信息處理過程的基礎。我們課題組也將量子關聯作為重要的科研方向之一，在這方面的工作分為兩個層面：第一，利用量子關聯實驗驗證量子力學基礎理論；第二，量子關聯的度量及其在量子信息處理中的應用。

承擔科研項目情況：

先后主持多項國家自然科學基金、教育部基金、江蘇省自然科學基金面上項目，作為學術骨干參與科技部重大研究計劃。 

1、基于時間域的量子行走及其應用的實驗研究（2017/1-2020/12），國家自然科學基金，主持。

2、量子信息處理器的設計與開發（2016/7-2019/6），江蘇杰出青年基金，主持。

3、全光量子信息處理器的實驗研究（2015/1-2018/12），國家自然科學基金，主持。

4、腔陣列中糾纏特性和多體問題及其在量子模擬中的應用（2012/1-2015/12）， 國家自然科學基金，主持。

5、基于新材料的半導體量子點及其在量子信息和量子計算中的應用 （2010/1-2010/12），國家自然科學基金，主持。

6、可擴展的一維及高維量子隨機行走及其物理實現（2011/1-2013/12），國家自然科學基金，主持。

7、基于H-terminated硅晶半導體量子點實現量子計算（2011/1-2013/12），江蘇省自然科學基金，主持。

8、大規模、一維及高維量子隨機行走及其物理實現（2011/1-2013/12），高等學校博士學科點專項科研基金，主持。

9、基于新材料的半導體量子點及其在量子信息和量子計算中的應用（2012/1-2015/12），教育部留學回國人員科研啟動基金，主持。

10、江蘇省六大人才高峰計劃（2014/1-2016/12），主持。

11、量子通信網絡和量子仿真關鍵器件的物理實現（2011/1-2015/12），國家重點基礎研究發展計劃（973計劃），學術骨干參與。

在國際頂級學術期刊包括：Physical Review Letters, New Journal of Physics, Physical Review A/B, Optics Letters等以第一/通信作者發表學術論文80余篇，并且得到國內外本領域重要專家學者的廣泛關注，文章被Science, Nature等國際主要學術期刊近千余次引用，單篇引用最高達百余次。并受新華出版社邀請翻譯澳大利亞科學家G.J. Milburn撰寫的《神奇的量子世界》一書(11萬字)。 

發表論文：SELECTED ARTICLES IN REFEREED JOURNAL (*通訊作者)

2016

1. X. Zhan, X. Zhang, J. Li, Y. S. Zhang, B. C. Sanders, and P. Xue*, Realization of the Contextuality-Nonlocality Tradeoff with a Qubit-Qutrit Photon Pair, Phys. Rev. Lett. 116, 090401.

2. K. K. Wang, X. Zhan, Z. H. Bian, J. Li, Y. S. Zhang*, and P. Xue*, Experimental investigation of the stronger uncertainty relations for all incompatible observables, Phys. Rev. A 93, 052108.

3. P. Xue*, R. Zhang, H. Qin, X. Zhan, Z. H. Bian, and J. Li, A one-dimensional quantum walk with multiple-rotation on the coin, Scientific Reports 6, 200095.

4. P. Xue*, and Z. H. Bian, Scheme for preparation of multi-partite entanglement of atomic ensembles, Chin. Phys. B 25, 080305.

5. H. Qin, and P. Xue*, Quantum walks with coins undergoing different quantum noisy channels, Chin. Phys. B 25, 010501.

6. Z. H. Bian, H. Qin, X. Zhan, J. Li, and P. Xue*, A quantum walk in phase space with resonator-assisted double quantum dots, Chin. Phys. B 25, 020307.

2015

7. P. Xue*, R. Zhang, H. Qin, X. Zhan, Z. H. Bian, J. Li, and B. C. Sanders, Experimental Quantum-Walk Revival with a Time-Dependent Coin, Phys. Rev. Lett. 114, 140502.

8. Z. H. Bian, J. Li,H. Qin, X. Zhan, R. Zhang, B. C. Sanders, and P. Xue*, Realization of Single-Qubit Positive-Operator-Valued Measurement via a One-Dimensional Photonic Quantum Walk, Phys. Rev. Lett. 114, 203602.

9. P. Xue*, R. Zhang, Z. H. Bian, X. Zhan, H. Qin, and B. C. Sanders, Localized State in a Two-Dimensional Quantum Walk on a Disordered Lattice, Phys. Rev. A 92, 042316.

10. P. Xue*, X. Zhan, and Z. H. Bian, Simulation of the ground states of spin rings with cavity-assisted neutral atoms, Scientific Reports 5, 7623.

11. X. Zhan, J. Li, H. Qin, Z. H. Bian, and P. Xue*, Linear optical demonstration of quantum speed-up with a single qudit, Opt. Exp. 23, 18422.

12. R. Zhang, Y. Xu and P. Xue*, Disordered quantum walks in two-dimensional lattices, Chin. Phys. B 24, 010303.

13. H. Luo, and P. Xue*, Properties of long quantum walks in one and two dimensions, Quantum Information Processing 14, 4361.

2014

14. P. Xue*, H. Qin, B. Tang, and B. C. Sanders, Observation of quasiperiodic dynamics in a one-dimensional quantum walk of single photons in space, New Journal of Physics 16, 053009.

15. P. Xue*, H. Qin, and B. Tang, Trapping photons on the line: controllable dynamics of a quantum walk, Scientific Reports 4, 04825.

16. R. Zhang, P. Xue*, and J. Twamley, One-dimensional quantum walks with single-point phase defects, Phys. Rev. A 89, 042317.　

17. X. Zhan, H. Qin, Z. H. Bian, J. Li, and P. Xue*, Perfect state transfer and efficient quantum routing: A discrete-time quantum-walk approach, Phys. Rev. A 90, 012331.

18. R. Zhang, and P. Xue*, Two-dimensional quantum walk with position-dependent phase defect, Quantum Information Processing 13, 1825-1839.

19. H. Qin, and P. Xue*, Implementation of a one-dimensional quantum walk in both position and phase spaces, Chin. Phys. B 23, 010301.

20. B. Tang, H. Qin, R. Zhang, J. M. Liu, and P. Xue*, Cavity-assisted quantum computing in a silicon nanostructure, Chin. Phys. B 23, 050307. 　

2013

21. P. Xue*, and B. C. Sanders, Controlling and reversing the transition from classical diffusive to quantum ballistic transport in a quantum walk by driving the coin, Phys. Rev. A 87.022334.

22. P. Xue*, Implementation of multi-walker quantum walks with cavity grid, the Journal of Computational and Theoretical Nanoscience: Special Issue: Theoretical and Mathematical Aspects of the Discrete Time Quantum Walk (Invited)10, 1.

23. P. Xue*, Non-Markovian dynamics of spin squeezing, Physics Letters A 377, 1328.

24. P. Xue*, and Y. S. Zhang, Non-Markovian decoherent quantum walks, Chin. Phys. B 22, 070302.

25. R. Zhang, H. Qin, B. Tang, and P. Xue*, Disorder and decoherence in coined quantum walks (Invited Review Article), Chin. Phys. B 22, 110312.

26. A. Hardal, P. Xue et al., Discrete-time quantum walk with nitrogen-vacancy centers in diamond coupled to a superconducting flux qubit, Phys. Rev. A 88, 022303.

2012

27. P. Xue*, and B. C. Sanders, Two quantum walkers sharing coins, Phys. Rev. A 85, 022307.

28. P. Xue*, Spin-squeezing property of weighted graph states, Phys. Rev. A 86, 023812.

29. P. Xue*, Z. Ficek, and B. C. Sanders, Probing multipartite entanglement in a coupled Jaynes-Cummings system, Phys. Rev. A 86, 043826.

30. P. Xue*, High-fidelity quantum memory realized via Wigner crystals of polar molecules, Chin. Phys. B 21, 010308.

31. P. Xue*, Improved frequency standard via weighted graph states, Chin. Phys. B 21, 100306.

32. Y. X. Gong, P. Xu, J. Shi, L. Chen, X. Q. Yu, P. Xue, and S. N. Zhu, Generation of polarization-entangled photon pairs via concurrent spontaneous parametric downconversions in a single chi((2)) nonlinear photonic crystal, Opt. Lett. 37, 4374.

33. Y. Y. Xu, F. Zhou, L. Chen, Y. Xie, P. Xue, and M. Feng, Irreversibility of a quantum walk induced by controllable decoherence employing random unitary operations, Chin. Phys. B 21, 040304.

2011

34. P. Xue*, Universal quantum computing with nanowire double quantum dots, Phys. Scr. 84, 045002.

35. P. Xue*, Decoherence-free spin entanglement generation and purification in nanowire double quantum dots, Chin. Phys. B 20, 100310.

36. P. Xue*, Entangling Gate of Dipolar Molecules Coupled to a Photonic Crystal, Chin. Phys. Lett. 28, 050307.

37. P. Xue*, Quantum Memory via Wigner Crystals of Polar Molecules, Chin. Phys. Lett. 28, 120307.

38. P. Xue*, Quantum Computing via Singlet-Triplet Spin Qubits in Nanowire Double Quantum Dots, Chin. Phys. Lett. 28, 070305.

39. P. Xue*, Z. Ficek, and B. C. Sanders, Two coupled Jaynes-Cummings cells, Quantum Communications and Quantum Imaging IX 8163.

40. Y.-X. Gong, Z.-D. Xie, P. Xu, X.-Q. Yu, P. Xue, and S.-N. Zhu, Compact source of narrow-band counterpropagating polarization-entangled photon pairs using a single dual-periodically-poled crystal, Phys. Rev. A 84, 053825.

2010

41. P. Xue*, and B. C. Sanders, Nearest-neighbor coupling asymmetry in the generation of cluster states in a charge-qubit structure, Phys. Rev. B 82, 085326.

42. P. Xue*, Many-body interactions with single-electron quantum dots for topological quantum computation, Phys. Rev. A 81, 052331.

43. P. Xue*, Universal quantum computing with semiconductor double-dot molecules on a chip, Phys. Lett. A 374, 2601.

44. P. Xue*, A Controlled Phase Gate with Nitrogen-Vacancy Centers in Nanocrystal Coupled to a Silica Microsphere Cavity, Chin Phys. Lett. 27, 060301.

45. Y. F. Xiao, C. L. Zou, P. Xue, et al, Quantum electrodynamics in a whispering gallery microcavity coated with a polymer nanolayer, Phys. Rev. A 81, 053807.

46. L. Livadaru, P. Xue, Z. Shaterzadeh-Yazdi, G. A. DiLabio, J. Mutus, J. L. Pitters, B. C. Sanders, and R. A. Wolkow, Dangling-bond charge qubit on a silicon surface, New J. Phys. 12, 083018.

2009

47. P. Xue*, B. C. Sanders, and D. Leibfreid, Quantum walk on a line for a trapped ion, Phys. Rev. Lett. 103, 183602.

2008

48. P. Xue*, and B. C. Sanders, Quantum walk on circles in phase space, New J. Phys. 10, 053025.

49. P. Xue*, and X.-F. Zhou, Bipartite entanglement purification with neutral atoms, Phys. Lett. A 372, 632.

50. P. Xue*, B. C. Sanders, A. Blais, and K. Lalumiere, Quantum walk on a circle in phase space via superconducting circuit quantum electrodynamics, Phys. Rev. A 78, 042334.

51. P. Xue*, Neutral atoms with cavity-assisted interaction for robust long-distance quantum communication, Phys. Lett. A 372, 6859.

2006

52. P. Xue*, and Y.-F. Xiao, Universal Quantum Computation in Decoherence-Free Subspace with Neutral Atoms, Phys. Rev. Lett. 97, 140501.

53. X.-M. Lin, P. Xue, et al., Scalable preparation of multiple-particle entangled state via the cavity input-output process, Phys. Rev. A 74, 052339.

2005

54. C. Han, P. Xue, and G.-C. Guo, Multipartite entanglement preparation and quantum communication with atomic ensembles, Phys. Rev. A 72, 034301.

2004

55. P. Xue*, C. Han, B. Yu, X.-M. Lin, and G.-C. Guo, Entanglement preparation and quantum communication with atoms in optical cavities, Phys. Rev. A 69, 052318.

56. W. Jiang, C. Han, P. Xue, L.-M. Duan, and G.-C. Guo, Nonclassical photon pairs generated from a room-temperature atomic ensemble, Phys. Rev. A 69, 043819.

57. P. Xue*, and G.-C. Guo, Nondeterministic scheme for preparation of nonmaximal entanglement between two atomic ensembles, J. Opt. Soc. Am. B 21, 1358.

58. P. Xue*, and G.-C. Guo, Secure direct communication using the ‘polarization’ entangled atomic ensembles, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys, 37, 711.

59. X.-M. Lin, B. Yu, Z.-W. Zhou, P. Xue, and G.-C. Guo, Implementing entanglement swapping with trapped atoms via cavity decay, Chin. Phys. Lett. 21, 1525.

2003

60. P. Xue*, and G.-C. Guo, Scheme for preparation of mulipartite entanglement of atomic ensembles, Phys. Rev. A 67, 034302.

61. P. Xue*, and G.-C. Guo, Efficient scheme for multipartite entanglement and quantum information processing using atomic ensembles, Phys.Lett. A 319, 225.

62. X.-M. Lin, Z.-W. Zhou, P. Xue, Y.-J. Gu, and G.-C. Guo, Scheme for implementing quantum dense coding via cavity QED, Phys. Lett. A 313, 351.

63. C. Han, P. Xue, and G.-C. Guo, A controlled quantum key distribution scheme with three-particle entanglement, Chin. Phys. Lett.20, 183.

2002

64. P. Xue, C.-F. Li, and G.-C. Guo, Addendum to “Efficient quantum-key-distribution scheme with nonmaximally entangled states”, Phys. Rev. A 65, 034302.

65. P. Xue, C.-F. Li, and G.-C. Guo, Conditional efficient multiuser quantum cryptography network, Phys. Rev. A 65, 022317.

2001

66. P. Xue, C.-F. Li, and G.-C. Guo, Efficient quantum-key-distribution scheme with nonmaximally entangled states, Phys. Rev. A 64, 032305.

67. P. Xue, Y.-F. Huang, Y.-S. Zhang, C.-F. Li, and G.-C. Guo, Reducing the communication complexity with quantum entanglement, Phys. Rev. A 64, 032304.

68. P. Xue, C.-F. Li, Y.-S. Zhang, and G.-C. Guo, Three-party quantum communication complexity via entanglement tripartite pure states, J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt. 3, 219.

69. P. Xue, C.-F. Li, and G.-C. Guo, A two-party probabilistic communication complexity scenario via Werner states, Chin. Phys. Lett. 18, 1305.

SELECTED CONFERENCE TALKS

1. Realization of the contextuality-nonlocality tradeoff with a qubit-qutrit photon pair (Long talk), 16th Asian Quantum Information Science Conference, Taipei, Taiwan, Aug. 2016.

2. Realization of the contextuality-nonlocality tradeoff with a qubit-qutrit photon pair (Invited), the 8th International Conference on Information Opics and Photonics, Shanghai, China, July 2016.

3. Realization of the contextuality-nonlocality tradeoff with a qubit-qutrit photon pair, International Conference on the Frontiers in Atomic, Molecular, and Optical Physics, Shanghai, China, May 2016.

4. Generalized measurements with photonic quantum walks, Workshop of ”Quantum Simulation and Quantum Walk (QSQW 2015)“, Yokohama, Japan, Nov. 2015.

5. Violation of a generalized non-contextuality inequality with single-photons (Invited), UTS-AMSS Joint Annual Workshop on Quantum Computing and Quantum Information Processing 2015, Beijing, China, Sept. 2015.

6. Quantum measurements with photonic quantum walks (Invited), the Workshop on Quantum Information, Quantum Control and Quantum Devices, Bilbao, Spain, Sept. 2015.

7. Realization of single-qubit positive operator-valued measurement via a one-dimensional photoninc quantum walk (Long talk), the 15th Asian Quantum Information Science Conference, Seoul, Korea, Aug. 2015.

8. Generalized measurements with photonic quantum walks (Invited), the Sino-German Symposium on Frontiers of Quantum Information and Quantum Simulation, Heidelberg, Germany, July 2015.

9. Quantum simulations and generalized measurements with photonic quantum walks (Invited), the 1st Workshop on Multi-Photon Interferometry, Shanghai, China, May 2015.

10. Experimental realization of quantum walks via linear optical elements (Invited), the 6th Workshop on Quantum Information Science, Hong Kong, China, Dec. 2014.

11. Experimental quantum-walk revival with a time-dependent coin, the Quantum Simulation and Quantum Walks Conference, Umzumbe, South Africa, Nov. 2014.

12. Photonic quantum walks (keynote), International Iran Conference on Quantum Information, Isfahan, Iran, Sept. 2014.

13. Observation of localization effect and quasi-Periodic dynamics in a one-dimensional photonic quantum walk, the 14th Asian Quantum Information Science Conference, Kyoto, Japan, Aug. 2014.

14. Two quantum walkers sharing coins (Invited), AMS Special Session on quantum walks, quantum computation and related topics at 2014 Joint Mathematics Meetings (JMM), Baltimore, USA, Jan. 2014.

15. Observation of localization effect and quasi-Periodic dynamics in a quantum walk architecture (Invited), Workshop of Quantum Simulations and Quantum Walks, Pisa, Italy, Nov. 2013.

16. An introduction to quantum walks (Invited), the 2013 International Summer School on Quantum Information Science and Technology, Changsha, China, July 2013.

17. Implementation of quantum walks (Invited), the 4th Workshop on Quantum Information Science, Hong Kong, China, Dec. 2012.

18. Implementation of multi-particle quantum walk (Invited), Workshop of Quantum Dynamics and Quantum Walks, Okazaki Conference Center, Japan, Nov. 2012.

19. Implementation of quantum walks with many particles (Invited), International Workshop on Quantum Computing and Quantum Information Processing, Beijing, China, Sept. 2012.

20. Spin squeezing property of weighted graph states, the 12th Asian quantum information science conference, Suzhou, China, Aug. 2012

21. Two-coupled JC systems, the SPIE Quantum Communications and Quantum Imaging IX Conference (OP514), San Diego, USA, Aug. 2011.

22. Probing multipartite entanglement in a coupled Jaynes-Cummings system, the 5th Asia-Pacific Workshop on Quantum Information Science 2011, Singapore, May 2011.

23. Quantum computing for singlet-triplet spin qubits in nanowire double quantum dots, Quantum Optics and New Materials (IV), Beijing, China, Jan. 2011.

24. Many-body interactions with single-electron quantum dots, the 10th Asian Conference on Quantum Information Science (AQIS'10), Tokyo, Japan, Aug. 2010.

25. Many-body interactions with single-electron quantum dots for topological quantum computation, the 4th Asia Pacific Conference in Quantum Information Science (4'APCQIS), Taiyuan, China, Aug. 2010.

26. Implementation of quantum walk, International Conference on Quantum Foundation and Technology: Frontier and Future (ICQFT'09), Shanghai, China, July 2009.

27. Quantum walk on a line for a trapped ion, International Conference on Quantum Information and Technology (ICQIT'09), Tokyo, Japan, Dec. 2009.

28. Quantum walk on a line for a trapped ion, the 9th Asian Conference on Quantum Information Science (AQIS'09), Nanjing, China, Aug. 2009.

29. Quantum walk on circles in phase space via superconducting circuit quantum electrodynamic, 2008 CAP Congress, Quebec City, Canada, Aug. 2008.

30. Neutral atoms with cavity-assisted interaction for universal quantum computation in DFS, the 38th Annual Meeting of the Division of Atomic, Molecular, and Optical Physics (DAMOP'07), Calgary, Canada, June 2007.

31. Neutral atoms with cavity-assisted interaction for robust long distant quantum communication, the Workshop in Quantum Algorithms and Applications, Sydney, Australia, May 2007.

32. Quantum correlations and spin squeezing in spin lattices and spin gases, German Physical Society Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) Conference, Berlin, Germany, Mar. 2005.

 

 

榮譽獎勵：

1、2010年入選東南大學優秀青年教師教學科研資助計劃。

2、2011年被東南大學聘為青年特聘教授。

3、2013年獲得江蘇省六大人才高峰項目支持。

學術交流：

受邀在國內外專業學術會議上作大會報告并論文宣讀達60余次。

來源：東南大學建筑設計研究院 更新時間：2016/7/19

東南大學物理系薛鵬教授課題組首次觀測到了量子行走中光信息的傳播擴散與恢復現象，日前，最新一期的《物理評論快報》[Physical Review Letters 114, 140502 (2015)]發表了這一項關于光在量子行走中的動力學演化研究的重要進展。

量子行走在量子信息中有著廣泛的應用，例如利用量子行走開發的針對無序數據庫的搜尋算法等。正是因為其優于經典的特性，導致攜帶信息的量子態的擴散速度與經典相比有二次方式的增長，因此人們的普遍認識中，ballistic spreading才是量子行走的特性并加以利用。而隨著薛鵬教授課題組對量子行走在理論和實驗方面的深入研究，逐漸認識到其可控的自由度之多，例如量子行走者和量子硬幣，并對位置、位相、演化時間等條件逐一加以控制操作，發現通過依賴于演化時間的硬幣拋擲操作，只要選擇合適的拋擲參數，攜帶信息的量子行走者和量子硬幣的態可以在任意的偶數演化時間后恢復至初始狀態，而在此之前態依然遵從量子行走的擴散規律。

薛鵬教授課題組利用參量下轉換產生的標記單光子的空間模式作為量子行走者，偏振作為硬幣，實現了在由光束偏移器構建的部分級聯的干涉儀中十六次演化，連續兩次觀測到了周期為八的量子行走恢復現象。實驗中涉及到的利用三明治式波片組實現依賴于演化時間的硬幣拋擲操作及具有極高干涉可見度的十五級的部分級聯干涉儀，均為該實驗的創新點和技術難點。而十六步的演化也開創了單光子量子行走迄今為止最長演化紀錄。

這一理論的提出及實驗的驗證顛覆了人們以前對量子行走的認識，并為量子行走在量子信息中的應用提供了新的方向，為理解基于量子力學的動力學演化的基本現象提供了新的視角，同時也為研究量子擴散及對拓撲現象的量子模擬提供了新的思路。

據悉，薛鵬教授自2013年下半年開始負責建設東南大學量子光學實驗平臺，在物理系領導的大力支持下，在基金極其匱乏的情況下，通過集中使用資金，解決科研平臺空間狹小、建設滯后的問題，建設和完善科研平臺。在短短一年半的時間內實現從理論向實驗的華麗轉身，對量子行走這一課題開展了開創性和系統性的實驗研究，率先觀測到量子行走中的光子的局域化現象及準周期現象，可以用于模擬和解釋復雜物理現象如：狄拉克顫動（zitterbewegung）,安德森局域化（Anderson localization）,布洛赫振蕩（Bloch oscillation）,朗道-齊納隧穿（Landau-Zener tunneling）等，并且在知名學術期刊上New Journal of Physics及Scientific Reports等發表了相關的實驗論文。

該論文的合作者為現就職于中國科學技術大學及加拿大卡爾加里大學的Barry C. Sanders教授。上述研究得到了基金委、科技部、教育部等的支持。

日前，東南大學物理系薛鵬教授領導的課題組首次在實驗中觀測到非定域性和互文性這兩種量子特性之間存在此消彼長的monogamy關系，從而提供直接證據揭示量子糾纏是一種普適的資源。最新一期的《物理評論快報》[Physical Review Letters 116, 090401 (2016)]刊發了這一項關于量關聯的重要進展，并選為Editors' Suggestion。

1935年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出了著名的EPR佯謬，他們以量子力學基本原理為基礎，推導出與經典理論中的定域實在論相矛盾的結論，以此對量子力學提出了質疑。除了定域實在性，量子力學還與經典的語境實在性相互矛盾，即量子力學中的關聯具有互文性。通過量子糾纏驗證量子力學的非定域性和互文性的實驗屢見不鮮。但是先前的研究卻從未將兩者聯系起來。而薛鵬教授的課題組則開創性地通過驗證了處于糾纏態的物理體系，非定域實在性和互文性之間存在一種此消彼長的關系，即這兩種量子特性之間存在一個tradeoff。

實驗上，首先通過參量下轉換過程制備兩光子糾纏態，其中一個光子的偏振和路徑比特作為一個qutrit用來驗證量子互文性，而這兩個光子之間的糾纏關聯用來驗證量子非定域性。實驗結果表明，一旦量子非定域性被實驗驗證，體系則不再滿足量子互文性，反之亦然。這個實驗的重要意義在于刷新了人們對于量子糾纏的傳統認識，首次提出量子糾纏作為一種更普適的量子資源，非定域性和互文性的驗證都將耗費這種資源，其中一個被驗證另一個則沒有資源可以耗費。

實驗論文《Realization of the contextuality-nonlocality tradeoff with a qubit-qutrit photon pair》發表于Physical Review Letters，并被選為Editors' Suggestion，審稿人高度評價這個工作：This is the first experiment ever that combines tests of correlations between distant particles and of correlations between sequences of compatible measurements on one of the parties. This is, by itself, a great achievement and opens the door to experimentally observing other interesting phenomena.

這是薛鵬教授課題組繼2015年4月及5月在《物理評論快報》上發表關于量子行走及量子計量學的成果之后，在量子關聯的實驗研究方面取得的又一重大進展。上述研究得到了國家自然科學基金數理部物理一處（面上項目）和東南大學物理系（省優勢學科工程建設經費）的支持。

論文的鏈接為：http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.090401

21世紀是信息化時代，人類社會的飛速發展要求計算機處理信息的能力不斷提高，而傳統的信息技術已無法滿足人類的需求。于是，量子信息學應運而生。

量子信息學是量子物理與信息科學相融合的新興交叉學科，有著傳統的信息技術不可比擬的優越性，已經成為信息技術新的革命性發展方向，被國際上公認是21世紀涉及物理學、材料學、信息學等多學科交叉的最活躍、最重要的研究領域之一。

東南大學的薛鵬教授多年來致力于量子信息和量子光學的研究，成果卓然。而2013年從理論到實驗的學術轉型更是拓寬了其在量子領域的研究廣度，使其對量子物理愈加融會貫通。

“別人能做到的我也可以”

“學好數理化，走遍天下都不怕。”高中時的薛鵬對此深信不疑，并對物理產生了濃厚的興趣。1995年，薛鵬考入中國科學技術大學物理系，進一步學習物理知識。隨后，薛鵬獲取提前一年畢業并免試研究生資格，師從郭光燦院士，并取得博士學位。博士畢業之后，薛鵬申請在國外的量子信息和量子光學研究中心進一步學習，先后在奧地利的因斯布魯克大學和加拿大的卡爾加里大學從事博士后工作。

2009年7月，在國外學習5年的薛鵬選擇回國，并作為引進人才加入東南大學。“回國是理所當然的，我從未想過要在國外久居。”薛鵬說：“該學的知識都學到了以后，回國多陪陪父母家人，是我當時最主要的想法。”

東南大學以工科見長，物理系科研力量相對薄弱。初回國的薛鵬研究的依然是量子物理的理論方向，但物理是實驗的學科，很多物理現象的發現和驗證都離不開實驗。而“作為理論物理學家，與實驗物理學家合作時，發現很多理論的想法由于實驗條件所限無法實現”。且在量子物理方面，“實驗得出的成果往往更能得到認可，也就可以帶來更多的經費支持”。為了更好地驗證量子物理的理論，薛鵬決定在實驗物理方向“試一試”。

少年時起，薛鵬就屬于“聰明孩子”那一類，年少懵懂的她認為只有理論物理的難度才能體現出自己的天資。從1999年讀研開始，薛鵬一直從事的是量子物理的理論研究。2013年，不管是薛鵬的學術年齡還是她自身的年紀都不算小了，薛鵬坦言，從理論轉到實驗，她曾有過掙扎。但她從來不是一個輕易認輸的人。薛鵬堅信一點：“別人可以做到的我也一定可以！”

從理論到實驗的“華麗”轉身

2013年下半年，薛鵬開始負責建設東南大學量子光學實驗平臺，正式轉向實驗物理方向，初步建成科研平臺。目前，薛鵬所在的實驗室擁有飛秒激光器、半導體激光器、單光子探測器、八通路數字信號符合儀等實驗儀器，對量子行走這一課題開展了開創性和系統性的實驗研究。

2015年，薛鵬課題組率先觀測到量子行走中光信息的傳播擴散與恢復現象，并且在國際知名學術期刊Physical Review Letters上發表了相關的實驗論文。

量子行走在量子計算中有著廣泛的應用，如利用量子行走開發的針對無序數據庫的搜尋算法等。那么，量子行走是否能夠應用于量子通信呢？這主要取決于量子行走中是否存在信息的傳播與恢復。

而薛鵬觀測發現，攜帶信息的量子行走者可以在任意的偶數演化時間后恢復至初始狀態，在此之前依然遵從量子行走的擴散規律。這一理論的提出及實驗的驗證顛覆了人們以前對量子行走的認識，并為量子行走在量子信息中的應用提供了新的方向，為理解基于量子力學的動力學演化的基本現象提供了新的視角，同時也為研究量子擴散及對拓撲現象的量子模擬提供了新的思路。

憑借在實驗方向有如此重大的發現，薛鵬在短短一年半的時間內實現了從理論到實驗的“華麗”轉身。但這轉身背后，卻是“步步艱難”。

薛鵬回憶道：“一共有三個方面的問題。首先是實驗用房，其次是人員，最后是經費。”實驗用房是最難解決的問題，薛鵬說，空間的狹小、建設的滯后使得實驗舉步維艱。除此之外，生源的有限和經費的欠缺也使薛鵬這“華麗的轉身”異常艱難。

“當初經費非常緊缺，連基礎的實驗儀器和材料都無法購齊。所幸后來系里支援了36萬，作為購買第一批儀器的錢，這筆錢直接堅定了我做實驗的決心。”薛鵬對物理系給予的支持抱有深深的感激，但經費的緊張也讓她有所感悟：“有錢就做有錢的事兒，沒錢也可以做沒錢的事兒，做實驗不一定非要那么多經費。經費不足的時候，我們可以從巧思方面去突破。總有一個方向你可以找到，突破了之后就柳暗花明了。”

薛鵬補充道，對人生做出改變，什么時候都不算晚。她謙虛地表示，“現在看來，我的轉型不見得多成功，但至少沒有失敗。”

在實驗領域佳音頻傳

1982年，諾貝爾物理獎得主理查德?費曼在一個公開的演講中提出利用量子體系實現通用計算的新奇想法。緊接其后，1985年，英國物理學家大衛?杜斯提出了量子圖靈機模型。理查德?費曼當時就想到如果用量子系統所構成的計算機來模擬量子現象，則運算時間可大幅度減少。就這樣，量子計算機的概念誕生了。

當前量子信息科學與技術的核心發展目標，是實現長程的量子通信和通用的量子計算機。經過多年的研究和發展，在量子通信方面，人們已經能夠很好地利用量子態來建立經典信息關聯，且這一技術已經向著實用化的方向發展。而量子計算的終極目標是實現真正意義上的量子計算機。要想實現這一目標，還有很長的路要走。

薛鵬課題組現階段承擔的主要是國家自然科學基金的項目“全光量子信息處理器的實驗研究”。這個項目擬將全光量子信息處理器應用于量子通信和量子計算兩個方面。一方面，對于實用化的量子通信課題，該項目著重研究利用量子信息技術提高信道容量的理論和實驗實現。另一方面，針對量子計算，薛鵬將從軟件和硬件兩個方面進行研究。“硬件方面著重研制多比特量子邏輯門操作，實現量子測量及量子模擬等任務；軟件方面則利用量子信息處理器實現基于量子隨機行走的量子算法，去計算一些經典計算機很難解決的問題。”

目前，薛鵬課題組用線性光學體系首次在實驗上實現了基于量子行走的正定算符測量。通過依賴光子空間模式的量子行走演化，薛鵬構建了正定算符測量的測量算符，成功地對非正交態進行了最優化的無差錯態識別。這一理論的提出及實驗的驗證顛覆了人們以前對量子行走的應用的單一認識，為量子行走在量子計量學中的應用提供了新的方向，為理解基于量子力學的基本原理提供了新的工具——廣義測量及鈍化測量，同時也為研究量子信道和量子保密通信提供了新的思路。

“全光量子信息處理器除了量子計算和量子通信，還包括利用量子關聯的性質驗證量子力學基礎理論，我們在此方向也做了很多深入的研究。”薛鵬說，她所在的課題組首次在實驗中觀測到非定域性和互文性這兩種量子特性之間存在此消彼長的monogamy關系，從而提供直接證據揭示量子糾纏是一種普適的資源。“這個實驗刷新了人們對于量子糾纏的傳統認識，首次提出量子糾纏作為一種更普適的量子資源，非定域性和互文性的驗證都將耗費這種資源，證明了‘非定域性和互文性是同一實在性的兩種不同表示’這一全新的觀點。”

對于薛鵬來說，目前的研究工作已經有了諸多進展：在Physical Review Letters等國際知名學術期刊上發表了多篇學術論文，且獲得了江蘇省杰出青年基金項目的支持。這讓她對接下來的實驗工作有了更多的信心。“下一步除了量子關聯的驗證方面，我希望做一些更有應用前景的工作，比如開發基于量子行走的真正普適的量子信息處理平臺，同時處理量子計算和通信任務。”薛鵬補充道：“目前的量子信息處理器只能處理量子計算任務或通信任務的一種，而對于追求‘大統一’的物理學家來說，實現更普適的量子信息處理平臺才是最終目標。”

對于薛鵬來說，現階段的她不用顧慮家庭，生活的重心都在工作上，對待科研可謂“衣帶漸寬終不悔”。而從理論到實驗的探索也使她更為明確自身的科研方向，相信她在這條轉型道路上會越走越好。 

來源：科學中國人 2016年第8期