Johannes Majer教授專訪：我來到中國，是為了加入世界上做量子物理最好的團隊

墨子沙龍：您能否向我們的觀眾做一下自我介紹，以及您的研究方向。

Majer教授：我是Johannes Majer，大約五年半前作為教授入職了中國科學技術大學，目前負責一個研究混合量子系統的實驗室。我來自瑞士，在那里出生、學習物理，之后我去了荷蘭的代爾夫特攻讀博士學位。我在美國做的博后，隨后在維也納工作了12年，也是在那里遇到了潘建偉。2020年，我來到了上海。

墨子沙龍： 所以據我所知，您的研究涉及量子力學和量子光學的許多領域。那么，您能否用幾句話為我們解釋一下“量子”是什么？

Majer教授：可以這么說，量子物理、量子力學描述的是一個奇特的世界，在那里波和粒子是相同的。我們今年正好在慶祝量子力學誕生一百周年。一方面，我很開心大家都在慶祝它，但另一方面，我的開心要打個折，因為量子力學的發展其實花了很多年，我們至今仍在不斷學習、不斷發展。量子力學已經相當成功，特別是在解釋許多日常生活的現象方面。在我個人看來，元素周期表是人類最偉大的成就之一，而量子物理正是解釋為什么元素周期表會呈現那樣的形式。化學、生物學、醫學等一切科學，其實都建立在量子力學所解釋的這些基礎之上。不僅如此，量子力學還能解釋為什么有些材料能夠導電（也就是金屬），為什么有些是絕緣體，以及介于兩者之間的半導體。這徹底改變了世界，我們因而有了手機、電子表、數碼相機，最終引發了“計算機與信息技術革命”。而現在，隨著量子技術的發展，我們正邁入“第二次量子革命”。這一次，我們不僅僅是用量子力學來解釋世界，還要真正利用到它的特性，例如用于量子通信。目前最大的目標當然是建造量子計算機。所以說，量子是自然的基礎，而物理學家正是通過研究它，來理解這個世界的。

墨子沙龍：您剛才提到，目前的研究重點是混合量子系統，特別是將超導電路與自旋系統相結合。那么，您能否詳細解釋一下，什么是混合量子系統？以及把超導電路與自旋系統結合起來的意義是什么？

Majer教授：混合量子系統的核心理念，就是把不同的量子技術結合在一起。如果你觀察整個量子物理、量子計算、量子技術的發展，其實它把物理學中原來相對獨立的幾個方向，比如原子物理、光子學、固態物理——統統都聯系在一起了。而我們的目標，是要建造一臺量子計算機。如果你看一下建造量子計算機所需的條件，會發現難度非常大。很多技術都有各自突出的優點，但與此同時，也存在著明顯的缺點。所以，“混合量子系統”的想法就是利用兩種系統的優勢，結合互補。在我的研究中，我發現把超導電路與自旋系統結合是可行的，會具有極佳的量子特性，但也是微觀的。

墨子沙龍：在您的混合量子系統中，您觀察到了哪些現象？有沒有什么新的發現？

Majer教授：我們發現這是一個非常有趣的系統。我們利用金剛石中的缺陷，并將它們置于超導電路上。這就是我們所謂的量子光學，這里處理的是單光子、微波光子，而不是可見光光子，同時還涉及自旋。在維也納的實驗室里，我發現了幾項新的現象。其中一項名為“腔保護效應”。其原理是：如果將自旋與腔體耦合得越來越強，量子系統可以變得更好，更具相干性。通常情況下，耦合兩個系統會讓系統變得更差，但這種效應卻讓系統變得更好。

我們還做了類似的實驗：通過在系統中“打孔”——實際上是在光學或微波頻率上去除一些能級，我們觀察到系統的相干時間竟然比兩個子系統都要長。通過這種方法，我們可以讓一個混合系統比兩個單獨的基礎系統表現更好。對我來說，這正是混合系統的魅力——利用各自的優勢，創造出更優的系統。

此外，我們還做了其他實驗。例如，之前沒有人在極低溫下對這些 NV 色心（氮空位中心）進行長時間測量，我們是首次對其進行測量，測量了包括相干時間和弛豫時間等性質。特別令人驚訝的是，我們測得的弛豫時間竟然達到了 8 小時。對于量子系統來說，這是非常長的時間，這主要得益于金剛石本身的特性——金剛石非常堅硬，才能實現如此長的相干和弛豫時間。

墨子沙龍：這真是大量而且非常有趣的研究工作。聽起來您的研究都非常原創。同時，我們也聽說您之前的研究在量子電路電動力學領域遙遙領先。您能介紹一下什么是量子電路電動力學嗎？以及它與量子力學其他分支的區別和聯系？

Majer教授：沒問題！這段時間特別精彩，幾周前，我的一位博后導師米歇爾·德沃雷(Michel Devoret) 獲得了諾貝爾獎。我之前在美國做博后時，就是在米歇爾·德沃雷的麾下工作。這個領域由米歇爾·德沃雷、約翰·克拉克(John Clarke) 和約翰·馬丁尼斯(John Martinis)開創。它的核心思想是，將超導約瑟夫森結和電容結合起來形成量子系統。這些是共軛變量，就像空間與動量，或能量與時間一樣。而現在，我們可以在芯片上進行量子力學實驗。由于他們在 80 年代的開創性工作，他們最近獲得了諾貝爾獎。

2010年左右，我在耶魯做博后時，我們開發了Transmon qubit（全稱transmission line shunted plasma oscillation qubit，即“傳輸線分流等離子體振蕩量子比特”），它至今仍是性能最好的量子比特之一，目前被 Google、IBM，當然還有我在上海的同事們廣泛使用。這也是我來到上海的原因之一。

我讀博的時候，還沒有人討論量子比特，那時它還被叫做微觀量子相干。我想說的是，雖然芯片上有電路，但相比于電子或原子，這些電路是巨大的。問題是，我們能否在大型系統中看到量子效應？

墨子沙龍：是的。如果我們能在自己的系統中觀察到這些效應，研究起來也會更容易理解。我們非常高興邀請您來中國，因為您的工作真的非常出色。那么，您為什么選擇來中國？在這里最讓您印象深刻的是什么？

Majer教授：我并不是一開始就打算要來中國的，我之所以來到這里，可以說是為了這個研究所。潘建偉在這里建立了一個世界領先的研究所，當我收到邀請時，非常高興能夠加入。這是世界上做量子物理最好的地方之一，這都要歸功于潘建偉。另外，上海是一個非常有趣的城市，它很好地融合了東西方文化。

讓我印象最深刻的，首先是這里對科學和技術的熱情。這里的氛圍非常積極，尤其是在“奇妙量子世界”活動上，看到那么多人前來參觀、交流，真的很讓人振奮。科研經費也非常充足，而且我必須說，這些資金能被如此有效地用于高質量科研，我真的覺得很厲害。

墨子沙龍：那么在您的科研生涯中，您有特別的目標嗎？

Majer教授：倒也不是太具體，可以說，我從小就被對技術的好奇心驅動著。我對技術充滿興趣，這也是我選擇這條職業道路的原因，同時也讓我有機會走遍世界。我只是單純地被物理吸引，喜歡在實驗室里做研究。不過可以說，我的一個目標是發現新的物理規律、新的效應。希望有一天我們能發現一些完全不同的東西，能夠改變世界，這也許是我的一個目標。

墨子沙龍：當您來到中國后，您覺得在中國做科研和在世界其他地方做科研有什么不同？您中國的學生和同事們有哪些不同的科研習慣？

Majer教授：在和學生一起工作時，我發現確實存在一些差異。例如，中國的學生非常勤奮，學習和工作都很快。但有時候，我會覺得他們對整體大局的把握稍顯欠缺。

另外，在我之前所在的大學，非常強調在實驗室的實際操作和實驗技能。因此，我現在仍然需要教授學生很多這類內容。不過好的方面是，我們大學有非常熱情的學生，我也非常喜歡和他們一起工作。我的同事們在各自的領域都有非常出色的職業生涯。很多和我同級別的同事都有海外經歷，能夠和他們一起工作真的很愉快。

墨子沙龍：聽起來很不錯。我們也知道，您曾在墨子沙龍制作的短片中扮演了重要角色。如果您不是科學家，您會選擇成為一名演員嗎？

Majer教授：我覺得這并不在我的計劃里。我之所以參與墨子沙龍的短片，是因為我對物理和物理效應非常著迷，而且還想親眼在舞臺上看到這些現象的發生。我真的是一個實驗派吧，這也是我教學工作的一部分。

墨子沙龍：是的，我們能感受到您對物理的熱情。那么，與您的學生時代相比，如今年輕科學家面臨哪些新的挑戰？您能給剛開始研究生階段的學生一些建議嗎？

Majer教授：對我來說，這個問題有點不好回答，因為中國和我待的比較久的歐洲或美國還是不太一樣。總的來說，我給學生的建議是：追隨你的熱情。你有熱情，就去堅持，但同時也要投入努力。沒有人光靠熱情，卻不努力就能成功的。不過，如果你對某件事沒有熱情，或者你真正熱愛的另有其他，就不要因為父母或導師的期望而硬要走學術道路。去做你真正感興趣的事，那樣你才能發揮得最好，最踏實努力。

墨子沙龍：我們聽說您的中文說得很好，能不能用中文給我們的讀者說幾句呢？

Majer教授：歡迎大家！我是中國科學技術大學的教授。不過我得說，其實我的中文并不好，我在學習中文方面真的很費勁。雖然疫情期間有很多困難，但有一點還是挺好的——就是讓我有機會學中文。因為在酒店房間隔離 21 天，確實有時間學一些中文詞匯。不過，現在我實在太忙了，完全沒有進步，感覺挺受挫。我只是盡量去用中文，也許這就是為什么大家覺得我的中文……嗯，反正不是最好的。

墨子沙龍：我覺得您的中文已經很不錯了。非常感謝您今天來到這里，也謝謝您帶來的精彩分享。

文字整理：程歡