本站原创“博学笃行,进德修业”,这是安阳师范学院的校训,也是该校物理与电气工程学院特聘教授崔海涛所奉行的信条,他勤于思考,在教学上“用心教书,用情育人”；在科研中“不唯书,不唯上,勇攀高峰,敢于创新”.这些,从他在量子信息物理领域的研究中可见一斑.
立足大背景 寻求新发展
量子信息物理,顾名思义,这是一个由信息科学与量子力学学科交叉产生的、全新的研究方向.
“这门学科的出现有其重要的意义.”崔海涛介绍,“根据摩尔(Moore)定律,每18个月,计算机微处理器的速度就会增长一倍,其中单位面积(或体积)上集成的元件数目也会相应地增加.可以预见,在不久的将来,芯片元件就会达到它能以经典方式工作的极限尺度.因此,如何突破这种尺度极限是当代信息科学所面临的一个重大科学问题.量子信息的研究就是充分利用量子物理基本原理的研究成果,发挥量子相干特性的强大作用,探索以全新的方式进行计算、编码和信息传输的可能性,为突破芯片极限提供新概念、新思路和新途径.”“量子力学与信息科学结合,不仅充分显示了学科交叉的重要性,而且量子信息的最终物理实现,会导致信息科学观念和模式的重大变革.”崔海涛说.
时至今日,量子信息技术的发展不仅引起了学术界的关注,各发达国家也针对其制定了本国的研究发展规划,以期抢占未来信息科技的制高点,并投入大量人力、物力用于支撑该领域的基础性、前瞻性的研究.我国也于2006年9月发布了国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年),将以量子调控技术为代表的量子信息技术的研究纳入到基础研究重大科学研究计划当中.正如《纲要》中所描述的那样：“以微电子为基础的信息技术将达到物理极限,对信息科技发展提出了严峻的挑战,人类必须寻求新出路,而以量子效应为基础的新的信息手段初露端倪,并正在成为发达国家激烈竞争的焦点.量子调控就是探索新的量子现象,发展量子信息学、关联电子学、量子通信、受限小量子体系及人工带隙系统,构建未来信息技术理论基础,具有明显的前瞻性,有可能在20～30年后对人类社会经济发展产生难以估量的影响.”崔海涛团队的研究项目就是在这一大背景下展开,致力于解决量子信息技术中关键的、基础性的问题,并对相关实验技术的发展产生重要的理论指导作用.
紧扣量子纠缠 顺通量子信息
细看崔海涛的研究履历,其关 键 词 便是“量子纠缠”.
“如果说量子信息主要是基于量子力学的相干特征、重构、计算和通讯的基本原理,那么,量子纠缠在其中发挥的是非常重要而且非常基本的作用.”在多年的学习和研究过程中,崔海涛认识到,一方面,许多重要的量子信息技术都需要量子纠缠的参与才能实现,例如,量子远程传态、量子保密通讯、量子密钥分发等；另一方面,由于量子体系与其他自由度的相互作用,这种作用最终导致体系的自由度与其他自由度的量子纠缠,由于环境选择的结果,量子体系的相干性质会逐渐消失,此即所谓退相干过程.退相干是实现量子信息过程所面临的最大障碍,如何有效克服退相干,延长量子体系的相干时间是当前量子信息技术研究的前沿课题.“就是这样奇特的物理性质,物理学家们对它的理解至今也非常有限,这严重制约了量子信息技术的发展,因此,建立对量子纠缠普遍的物理理解已经成为当今量子信息领域最为急迫需要解决的问题之一.”
如何建立对多体量子态纠缠的普遍理解如何在具体的物理系统中制备纠缠的量子多体态看上去,只要解决了这两个问题,量子纠缠就不再是瓶颈,然而,真的如此简单么“最直观的做法是将两体纠缠的理解推广到多体.但经事实证明,这种推广具有很大的局限,因为量子多体态的纠缠具有远比两体纠缠更为丰富的内容.”接着,崔海涛进行了举例说明,“在3量子比特中,存在两个随机定域操作与经典通讯操作下不等价的三体纠缠态；GHZ态和W态.它们都是真正的三体纠缠态,却表现出完全不同的纠缠性质.对于GHZ态,任意一个或两个量子比特的约化密度矩阵都是单位阵；而W态,通过对任一量子比特的测量,可以得到其他两个量子比特的最大纠缠态.4个量子比特情况就更为复杂,迄今为止也没有一个完整的分类.”
直观推广不成,崔海涛又开始考虑换角度钻研.他认为,多体纠缠的度量应该包括两方面的内容：纠缠模式(pattern)和纠缠强度(intensity).纠缠强度即纠缠的大小,现已有一些比较好的度量方式,如几何纠缠；纠缠模式则是指对应多体纠缠的分类.而伴随着纠缠模式,又出现了一个新的问题――多体态不同纠缠模式表示什么样的物理意义“因为这涉及到如何在实验室中制备不同的多体纠缠.不同的纠缠模式必然对应完全不同的物理性质,SLOCC不等价关系的存在也限制了从‘最大纠缠态’得到其他任意纠缠态的可能.对于不同的纠缠模式,我们需要不同的物理系统(Hamilton量)来制备.这些系统之间又是怎样的关系呢”
为了解惑,在国家自然科学基金项目“几何相与量子纠缠的理论研究”和“多体系统中的量子纠缠及其几何分类的理论研究”的支持下,崔海涛带领研究团队在此研究方向上刻苦钻研多年,并取得了一些深刻的认识.通过附加对称性的要求,例如,量子态的平移不变性质,他们发现完全可以普遍地建立这些多体纠缠态间的等价关系.而且,经进一步研究发现,这些等价关系可以通过态的几何性质很好地区分.也就是说,不等价的多体纠缠对应体系的不同几何结构.更为重要的是,这些几何结构可以通过几何相物理地加以描述.多体纠缠中的非平庸几何结构的发现并不是孤立的,联系最近凝聚态体系中相关几何效应的发现,有理由相信他们之间存在某种形式的联系.相关的研究工作正在进行中.
事实上,围绕多体系统中的几何相与量子纠缠的理论问题,崔海涛自攻读博士期间就产生了浓厚的兴趣.特别是近5年来,陆续发表了一些高水平的学术成果,并主持承担了一些科研项目.迄今为止共发表学术论文22篇,均为SCI收录,论文总引用次数137次,他引超过80次.其中,有7篇文章发表在国际权威物理学期刊“Physical Review A”上.2007年发表在“Physics Letter A”上的论文“A Study on the suddendeath of entanglement”已被引用60次(他引57次),其他论文亦有不同程度的引用.
对于热爱这项研究的崔海涛来说,这种对未知科学世界的探索是他甘之如饴的兴趣和追求,也是他情愿脚踏实地“做一辈子的职业”.
专家简介
崔海涛,安阳师范学院物理与电气工程学院特聘教授.1997～2004年就读于东北师范大学物理学教育、理论物理专业,分别获理学学士、硕士学位；2004～2007年于大连理工大学攻读理论物理博士学位,研究方向为复合体系的量子几何相,博士论文题目《量子体系中的几何相以及量子纠缠的理论研究》,2007年7月获理学博士学位.同年到安阳师范学院参加工作,历任讲师、副教授.因工作成绩突出,2011年7月,受聘到学校首个校级“特聘教授”岗位.崔海涛博士主要从事量子纠缠的物理性质及相关量子力学基本问题的研究工作.先后主持承担国家自然科学基金项目两项,河南省高等学校青年优秀教师支持计划项目一项.
责任编辑：马忠荣