乡贤风采丨陆朝阳：量子世界的耕耘者
人物档案
陆朝阳
出生于1982年12月
画水镇陆秀村巉头自然村人
2004年毕业于中国科技大学
英国剑桥大学物理学博士
中国科学技术大学教授、博士生导师
九三学社中央青年工作委员会副主任
中国科学院《科学通报》副主编
主要荣誉
2011年入选首批中组部国家青年千人计划，2012年获得首批国家自然科学优秀青年基金，2013年入选上海市千人计划，2014年获得香港求是杰出青年学者奖，2015年获得国家杰出青年科学基金、国家自然科学一等奖，2016年被《自然》评为“中国科学之星”，并入选美国光学学会会士，2017年获得中国青年五四奖章、欧洲物理学会菲涅尔奖，2018年作为量子卫星团队成员获得美国科学促进会克利夫兰奖，2019年获得中国物理学会黄昆半导体物理奖、科学探索奖、仁科芳雄亚洲奖，入选万人计划科技创新领军人才。
同乡聚会改变了专攻方向
师从潘建伟步入量子领域
1997年，陆朝阳从画水镇中考入东阳中学，在东中学习期间曾担任实验班班长，获得过王惕吾一等奖学金和严济慈奖学金。三年后，他顺利考入中国科技大学物理系。在谈到高考志愿选择的时候，陆朝阳说：“我一直比较喜欢数学、物理。1998年初，母校东阳中学邀请潘建伟校友做科普报告。潘教授介绍了他刚刚完成的量子隐形传态实验，当时我就觉得特别有趣，后来就报考了中科大物理系。”
本科毕业后原计划他将被保送到微电子专业读研究生。然而，一次偶然的同乡聚会，改变了他的专攻方向，由此将他领进一个全新的领域。那是2003年秋天，中科大又迎来一批新生。按照惯例，在校的东阳籍学兄学姐要请大一新生聚一聚，帮助小老乡尽快熟悉、适应大学生活。与往年不同的是，刚从国外回来的潘建伟教授也受邀参加了聚会，一时间成为大家关注的焦点。当时，潘建伟已经在量子物理和量子信息研究方面成绩斐然，从学术科研、时事到家常，这位亲切随和的大师兄和师弟师妹们聊得非常融洽。“和潘老师交谈以后，我就修改了志愿。”陆朝阳回忆说。
2004年本科毕业之后，陆朝阳被保送至合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理和量子信息研究部，师从潘建伟攻读硕士学位，开展光子纠缠和量子计算方面的研究。潘建伟管理下的量子物理和量子信息实验室在科研水准上一直向国际一流研究机构看齐，要求非常严格，而学术氛围自由宽松。得益于这样一个科研环境，陆朝阳如鱼得水，边学习边钻研，不断进步，很快在理论、实验设计和动手能力等方面脱颖而出。
第二年，陆朝阳接受了一项重要的任务：把光学平台从科大西区搬迁到东区微尺度国家实验室，重建实验平台，并且升级到具备操纵六光子纠缠的能力。陆朝阳说，为了完成这项任务，他牺牲了几乎所有节假日，包括春节。“一项这么重要的任务交给我，当然很令人振奋。我基本上每天在实验室呆到晚上11点之后。还记得寒假的时候，一次做完实验发现外面下了很厚的雪。我的宿舍在西区，就一个人踏着积雪从中科大东区走回西区，当时觉得这夜色中的雪实在太美了，一点儿也没觉得累。”
因为第一次做科研，陆朝阳遇到了很多困难，也走了很多弯路。但是也从此开始享受在实验室里面从无到有搭建和调试装置、克服难题的过程。“这个过得很难，一方面，要造出亮度和纯度都非常高的纠缠光源。另一方面，之前的大部分实验都是简单证明多粒子的相干性质，但是这次要用新的判据证明六光子纯纠缠。我们折腾了好久，有一度我都想放弃了，跟导师说要不还是用以前的方法吧。潘老师很严肃地批评了我这种知难而退的想法，并鼓励我一定要追求卓越，坚持做下去。后来终于找到了理论和实验相结合的好方法，才算搞定。”陆朝阳说，“回想起来，类似的例子还有很多。如果潘老师不这么严格要求的话，我们容易滋生惰性，容易满足，这样的话进步就会缓慢得多。”
通过近两年的努力，陆朝阳终于交出了一份漂亮的答卷：不仅成功制备了六光子纠缠态，在国际上首次实验了对六光子纠缠的操纵，而且在同一个实验装置中巧妙地实现了可用于量子计算的“薛定谔猫”态和簇态，在理论上发展了有效的多体纯纠缠判定工具，刷新了多光子纠缠和光学量子计算领域的两项世界纪录。这个研究成果发表在2007年2月的《自然·物理学》上，并入选两院院士评选的2007年中国科技十大进展新闻。同年，陆朝阳在国际上首次用光子比特实现了量子分解算法，成果被美国物理学会以“量子计算的突破”专题报道，并入选了年度中国高等学校十大科技进展。
陆朝阳在学术上与其年龄不相称的成熟和独立性，在随后的科研中表现得更加淋漓尽致。他的第二个实验工作，就是在国际上首次用光子比特演示了量子信息领域一个重要算法：肖尔大数分解算法。这个工作被英国《新科学家》和美国物理学会等国际主流媒体的广泛报道，还入选了教育部评选的中国高校科技十大进展。之后，他又和团队一起完成了容失量子编码、任意子量子模拟、十量子比特超纠缠态等一系列后续实验，很快成为潘建伟最得力的科研助手之一。
剑桥大学攻读博士学位
学成归来突破量子领域
▲陆朝阳（左）潘建伟（右）
为了发展更高品质和可升级的光量子信息技术，在潘建伟的布局和推荐下，从2008年开始，陆朝阳受英国政府奖学金和剑桥海外基金资助进入剑桥大学卡文迪许实验室转向量子点单光子源和电子自旋操纵方面的研究。攻读博士学位期间，陆朝阳以第一作者身份首次观测到单电子自旋的实时量子跃迁和非破坏性测量，为基于自旋的量子计算方案解决了一个基础性难题，论文2010年发表在《自然》上，被哈佛大学教授评价为“基于固态体系量子信息处理的一个重大突破”。
陆朝阳用了不到三年的时间完成了剑桥大学的博士论文。2011年初，在完成博士论文答辩的同时，他还入选了剑桥大学丘吉尔学院的Fellow（入选比例约1%）。感受到量子信息的潜在重大应用和国家对这个领域的日益重视，陆朝阳获得博士学位后随即回到祖国，希望利用自己从剑桥学到的知识推进国内相对薄弱的固态量子调控技术、半导体量子点单光子和单电子自旋操纵技术的研究，和同事们一起并肩作战，把这个领域做大做强，为国家所用。
对于自己的回归，陆朝阳始终觉得是很顺理成章的事。他在与学弟学妹交流时常常说：“同样做一项科研，如果在自己的土地上做，就算再艰苦，那更有归宿感和成就感，更值得。”在他看来，今天中国的科技发展水平，与钱学森、郭永怀等一批知识分子归来的那个百废待兴的时代，已经不可同日而语。自己置身的这个学术团队，无论在学术水平还是在实验条件上都处在世界领先水平。“潘老师团队已经形成人才回流效应，在这一领域，真正一流的学者都被吸引回来了。”
回国后，28岁的陆朝阳成为中国科技大学最年轻的教授。在由潘建伟院士领衔的团队和平台支持下，陆朝阳带领几名年轻的学生一起组建了固态量子光源新实验室，向世界劲旅发起挑战。通过夜以继日的奋战，在短短的几年时间里，团队完成了一系列重要突破——
在多光子纠缠和光学量子计算领域，团队于2016和2018年分别实现十光子纠缠和十二光子纠缠，继续在多光子纠缠领域保持领先。利用多光子操纵技术，团队在国际上率先开展利用量子计算解决大数据问题的实验探索，首次成功实现快速求解线性方程组、量子机器学习、盲量子计算、拓扑数据分析的量子算法。最近，团队又实现了20个光量子比特的操纵。
在可扩展固态量子计算方面，陆朝阳等首创脉冲共振荧光技术，克服了十多年来阻碍单光子源品质的瓶颈问题，实现了国际上最高品质的高效率单光子源，相关论文成为该领域被引用最高的少数几篇论文；首次在类石墨烯单原子层材料中发现非经典单光子发射，连接了量子光学和二维材料这两个重要领域，打开了一条通往新型光量子器件的道路。利用自主发展起来的高性能单光子源，陆朝阳等在国际上率先实现了超越历史上第一台电子管和晶体管计算机的针对波色取样任务的量子计算原型机。在这方面的工作被美国物理学会、英国物理学会、《自然》等广泛报道，并三年入选了美国光学学会评选的“年度国际光学重大进展”。
在量子通信方面，陆朝阳等在国际上首次实现了单光子多自由度的量子隐形传态，打破了国际学术界18年以来只能传输基本粒子单一自由度的局限，为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实的基础。这个工作是历史上中国本土完成的科学成果首次入选英国物理学会评选的国际物理学年度突破榜首。
由于在量子光学和量子信息领域的先驱性和系统性贡献，潘建伟、陆朝阳和同事们应邀在国际物理学界权威综述性评论期刊《现代物理评论》上发表题为“多光子纠缠和干涉度量学”的长篇综述论文。这是中国科学家在该期刊上的第一篇实验综述论文。此外，陆朝阳目前已经在《近代物理评论》、《自然》、《科学》、《美国科学院院刊》、《物理评论快报》等国际顶尖学术期刊发表了论文80余篇，被引用9000多次。
面对这些成就，陆朝阳谦虚地说，这些荣誉是对整个量子团队的认可，“目前量子技术国际竞争日趋激烈，赛跑才刚刚开始，我辈需更加努力！”陆朝阳身上有着明显的中科大人的气质，他们低调、内敛、安静、执着，在谈起科研成果时，习惯“回避”个人的功劳，将“团队”的贡献放在首位。
量子学家浪漫诠释量子
教授内心充满家乡情结
对于绝大部分人来说，量子是非常神秘的东西。
2017年6月，陆朝阳在上海科技节的科普演讲中却以通俗易懂的方法描述了量子及量子技术的应用：
“我们很多人都打过保龄球，如果我们在球道上设置几个障碍物，保龄球只有通过障碍物间的狭缝才能穿过去。但如果我们用一个量子来代替这个保龄球，就会发现这个量子就像是会分身一样，同时经过两条狭缝，然后它又像水波纹一样，在最中间形成一个干涉条纹，这个量子保龄球的行为有点像孙悟空的分身术。这就是量子世界和我们日常所见的非常重要的一个区别——量子可以允许几种状态同时存在。
如果我们有两个量子的话，那么另外一种非常奇妙的现象就出现了，这叫量子纠缠。爱因斯坦把量子纠缠称为‘遥远地点之间的诡异互动’，这是什么意思？举个例子，比如说我们通过某种方式把两个骰子制备成量子纠缠，我拿其中一颗去到欧洲甚至更远的地方，那我跟另一颗骰子之间可以相隔千山万水。然后，我在欧洲扔这个骰子，如果数字显示是1，那么另外一个骰子数字必须是1；如果我扔的是3，另一个也是3。就是说，他们之间有一种非常诡异的互动行为。
我们今天所使用的通信网络，原则上都是可以被窃听的。但是，量子保密通信是一种无条件安全的通信方式。任何窃听行为都会不可避免地影响到物理状态。正是这样一个基本的量子物理原理，确保了信息安全。我们都知道，信息的基本单元叫做一个比特，0或1，它每次只可以处于一个状态，要么1要么0。但是，量子可以多种状态同时存在，也即一个量子比特可以有两种状态同时存在。如果有两个量子比特，它就可以有4种状态同时存在。如果有50个量子比特，就有2的50次方状态同时存在，那是一个非常巨大的数字。有多大呢？直观感受下，把一张A4纸对折50次之后，它的厚度约等于0.1毫米乘以2的50次方这么厚。大家用计算器按一下就会发现，这个厚度相当于地球到太阳的距离。正是因为这样一种巨大的并行量带来的加速，目前很多非常难以计算的问题，比如那些需要几十万年才能算清楚的问题，在量子计算机造出来后几秒钟就可以算出来。当量子比特数达到大概50个时，在某些特定的问题上的计算能力就可以超过当前的超级计算机。”
陆朝阳说，量子力学是目前为止对客观世界最精确的描述。之所以大家觉得很玄乎，是因为量子力学的一些效应所发生的物理尺度是非常微小的，比我们日常生活中见到的头发丝还要小几千万倍。在这样一个微观世界里面，有它自己独特的运行规律。但其实，量子力学及其催生的技术已经在各方面改变了我们的生活，可以说，没有量子力学，就没有我们今天的计算机、手机、互联网、导航、激光、磁共振等等。以上这些是上个世纪在“第一次量子革命”中催生出来的成果，主要是建立于对量子规律宏观的应用。目前，我们从事的量子信息技术在欧洲被称为“第二次量子革命”，未来的应用包括量子通信、量子精密测量、量子计算等。总体而言，中国目前在量子通信方面处于一个全面领先的地位。
位于中科大量子工程中心一楼大厅的显著位置，铭刻着著名物理学家、中科大近代物理系首任系主任赵忠尧生前的一段话：“回想自己一生，经历过许多坎坷，唯一希望的就是祖国繁荣昌盛、科学发达，我们已经尽了自己的力量，但国家尚未摆脱贫困与落后，尚需当今与后世无私的有为青年再接再厉，继续努力。”
每当路过此处，陆朝阳就会思绪万千。他说，“国家对科技越来越重视，创新驱动发展已经成为国家重要战略。这个时代需要仰望星空的年轻人，我们应当勇于担当，甘于坚守”。科学研究其实是非常好的职业，做科研工作可以聆听自己的梦想，跟随自己的兴趣。这种工作下，每天的太阳都是新的，一直在创新，挑战新高度，完全不是大家想象得那么枯燥。“做科研是为了扩展人类的知识，探寻新的原理和方法。”
在繁忙的科研之余，陆朝阳也热心科普报告等公益活动和践行社会责任。他担任了九三学社中央青年工作委员会副主任、中国科学院《科学通报》副主编，中国激光杂志社青年编辑委员会主任、美国光学学会量子计算和通信技术组主任，国际量子通信、计算和测量学会执委会委员，英国物理学会《量子科学与技术》期刊编委、安徽省政协委员，上海市青联委员等。此外，他为各地政府、事业单位、高科技企业、大中小学生受邀做关于量子物理和量子技术的科普报告五十余次，科普报告网络点击30万次，受到广泛好评。工作之外，陆朝阳喜欢打打乒乒球、网球。同时他对家乡有着浓厚的感情：“东阳老家山清水秀，农家有很多乐趣。我非常爱我的家乡，平时也会抽空回家看看父母，也衷心希望家乡有更多的有志青年投身科学研究，为祖国强盛贡献东阳人的力量。”
陆朝阳还说，新一轮科技革命和产业变革正在孕育兴起，希望家乡能够充分利用好这个机遇，结合未来3至5年东阳发展关键时期，以科技革命和产业革命为抓手，努力促进东阳经济社会各方面取得长足进步。
