Johannes Majer教授专访：我来到中国，是为了加入世界上做量子物理最好的团队

墨子沙龙：您能否向我们的观众做一下自我介绍，以及您的研究方向。

Majer教授：我是Johannes Majer，大约五年半前作为教授入职了中国科学技术大学，目前负责一个研究混合量子系统的实验室。我来自瑞士，在那里出生、学习物理，之后我去了荷兰的代尔夫特攻读博士学位。我在美国做的博后，随后在维也纳工作了12年，也是在那里遇到了潘建伟。2020年，我来到了上海。

墨子沙龙： 所以据我所知，您的研究涉及量子力学和量子光学的许多领域。那么，您能否用几句话为我们解释一下“量子”是什么？

Majer教授：可以这么说，量子物理、量子力学描述的是一个奇特的世界，在那里波和粒子是相同的。我们今年正好在庆祝量子力学诞生一百周年。一方面，我很开心大家都在庆祝它，但另一方面，我的开心要打个折，因为量子力学的发展其实花了很多年，我们至今仍在不断学习、不断发展。量子力学已经相当成功，特别是在解释许多日常生活的现象方面。在我个人看来，元素周期表是人类最伟大的成就之一，而量子物理正是解释为什么元素周期表会呈现那样的形式。化学、生物学、医学等一切科学，其实都建立在量子力学所解释的这些基础之上。不仅如此，量子力学还能解释为什么有些材料能够导电（也就是金属），为什么有些是绝缘体，以及介于两者之间的半导体。这彻底改变了世界，我们因而有了手机、电子表、数码相机，最终引发了“计算机与信息技术革命”。而现在，随着量子技术的发展，我们正迈入“第二次量子革命”。这一次，我们不仅仅是用量子力学来解释世界，还要真正利用到它的特性，例如用于量子通信。目前最大的目标当然是建造量子计算机。所以说，量子是自然的基础，而物理学家正是通过研究它，来理解这个世界的。

墨子沙龙：您刚才提到，目前的研究重点是混合量子系统，特别是将超导电路与自旋系统相结合。那么，您能否详细解释一下，什么是混合量子系统？以及把超导电路与自旋系统结合起来的意义是什么？

Majer教授：混合量子系统的核心理念，就是把不同的量子技术结合在一起。如果你观察整个量子物理、量子计算、量子技术的发展，其实它把物理学中原来相对独立的几个方向，比如原子物理、光子学、固态物理——统统都联系在一起了。而我们的目标，是要建造一台量子计算机。如果你看一下建造量子计算机所需的条件，会发现难度非常大。很多技术都有各自突出的优点，但与此同时，也存在着明显的缺点。所以，“混合量子系统”的想法就是利用两种系统的优势，结合互补。在我的研究中，我发现把超导电路与自旋系统结合是可行的，会具有极佳的量子特性，但也是微观的。

墨子沙龙：在您的混合量子系统中，您观察到了哪些现象？有没有什么新的发现？

Majer教授：我们发现这是一个非常有趣的系统。我们利用金刚石中的缺陷，并将它们置于超导电路上。这就是我们所谓的量子光学，这里处理的是单光子、微波光子，而不是可见光光子，同时还涉及自旋。在维也纳的实验室里，我发现了几项新的现象。其中一项名为“腔保护效应”。其原理是：如果将自旋与腔体耦合得越来越强，量子系统可以变得更好，更具相干性。通常情况下，耦合两个系统会让系统变得更差，但这种效应却让系统变得更好。

我们还做了类似的实验：通过在系统中“打孔”——实际上是在光学或微波频率上去除一些能级，我们观察到系统的相干时间竟然比两个子系统都要长。通过这种方法，我们可以让一个混合系统比两个单独的基础系统表现更好。对我来说，这正是混合系统的魅力——利用各自的优势，创造出更优的系统。

此外，我们还做了其他实验。例如，之前没有人在极低温下对这些 NV 色心（氮空位中心）进行长时间测量，我们是首次对其进行测量，测量了包括相干时间和弛豫时间等性质。特别令人惊讶的是，我们测得的弛豫时间竟然达到了 8 小时。对于量子系统来说，这是非常长的时间，这主要得益于金刚石本身的特性——金刚石非常坚硬，才能实现如此长的相干和弛豫时间。

墨子沙龙：这真是大量而且非常有趣的研究工作。听起来您的研究都非常原创。同时，我们也听说您之前的研究在量子电路电动力学领域遥遥领先。您能介绍一下什么是量子电路电动力学吗？以及它与量子力学其他分支的区别和联系？

Majer教授：没问题！这段时间特别精彩，几周前，我的一位博后导师米歇尔·德沃雷(Michel Devoret) 获得了诺贝尔奖。我之前在美国做博后时，就是在米歇尔·德沃雷的麾下工作。这个领域由米歇尔·德沃雷、约翰·克拉克(John Clarke) 和约翰·马丁尼斯(John Martinis)开创。它的核心思想是，将超导约瑟夫森结和电容结合起来形成量子系统。这些是共轭变量，就像空间与动量，或能量与时间一样。而现在，我们可以在芯片上进行量子力学实验。由于他们在 80 年代的开创性工作，他们最近获得了诺贝尔奖。

2010年左右，我在耶鲁做博后时，我们开发了Transmon qubit（全称transmission line shunted plasma oscillation qubit，即“传输线分流等离子体振荡量子比特”），它至今仍是性能最好的量子比特之一，目前被 Google、IBM，当然还有我在上海的同事们广泛使用。这也是我来到上海的原因之一。

我读博的时候，还没有人讨论量子比特，那时它还被叫做微观量子相干。我想说的是，虽然芯片上有电路，但相比于电子或原子，这些电路是巨大的。问题是，我们能否在大型系统中看到量子效应？

墨子沙龙：是的。如果我们能在自己的系统中观察到这些效应，研究起来也会更容易理解。我们非常高兴邀请您来中国，因为您的工作真的非常出色。那么，您为什么选择来中国？在这里最让您印象深刻的是什么？

Majer教授：我并不是一开始就打算要来中国的，我之所以来到这里，可以说是为了这个研究所。潘建伟在这里建立了一个世界领先的研究所，当我收到邀请时，非常高兴能够加入。这是世界上做量子物理最好的地方之一，这都要归功于潘建伟。另外，上海是一个非常有趣的城市，它很好地融合了东西方文化。

让我印象最深刻的，首先是这里对科学和技术的热情。这里的氛围非常积极，尤其是在“奇妙量子世界”活动上，看到那么多人前来参观、交流，真的很让人振奋。科研经费也非常充足，而且我必须说，这些资金能被如此有效地用于高质量科研，我真的觉得很厉害。

墨子沙龙：那么在您的科研生涯中，您有特别的目标吗？

Majer教授：倒也不是太具体，可以说，我从小就被对技术的好奇心驱动着。我对技术充满兴趣，这也是我选择这条职业道路的原因，同时也让我有机会走遍世界。我只是单纯地被物理吸引，喜欢在实验室里做研究。不过可以说，我的一个目标是发现新的物理规律、新的效应。希望有一天我们能发现一些完全不同的东西，能够改变世界，这也许是我的一个目标。

墨子沙龙：当您来到中国后，您觉得在中国做科研和在世界其他地方做科研有什么不同？您中国的学生和同事们有哪些不同的科研习惯？

Majer教授：在和学生一起工作时，我发现确实存在一些差异。例如，中国的学生非常勤奋，学习和工作都很快。但有时候，我会觉得他们对整体大局的把握稍显欠缺。

另外，在我之前所在的大学，非常强调在实验室的实际操作和实验技能。因此，我现在仍然需要教授学生很多这类内容。不过好的方面是，我们大学有非常热情的学生，我也非常喜欢和他们一起工作。我的同事们在各自的领域都有非常出色的职业生涯。很多和我同级别的同事都有海外经历，能够和他们一起工作真的很愉快。

墨子沙龙：听起来很不错。我们也知道，您曾在墨子沙龙制作的短片中扮演了重要角色。如果您不是科学家，您会选择成为一名演员吗？

Majer教授：我觉得这并不在我的计划里。我之所以参与墨子沙龙的短片，是因为我对物理和物理效应非常着迷，而且还想亲眼在舞台上看到这些现象的发生。我真的是一个实验派吧，这也是我教学工作的一部分。

墨子沙龙：是的，我们能感受到您对物理的热情。那么，与您的学生时代相比，如今年轻科学家面临哪些新的挑战？您能给刚开始研究生阶段的学生一些建议吗？

Majer教授：对我来说，这个问题有点不好回答，因为中国和我待的比较久的欧洲或美国还是不太一样。总的来说，我给学生的建议是：追随你的热情。你有热情，就去坚持，但同时也要投入努力。没有人光靠热情，却不努力就能成功的。不过，如果你对某件事没有热情，或者你真正热爱的另有其他，就不要因为父母或导师的期望而硬要走学术道路。去做你真正感兴趣的事，那样你才能发挥得最好，最踏实努力。

墨子沙龙：我们听说您的中文说得很好，能不能用中文给我们的读者说几句呢？

Majer教授：欢迎大家！我是中国科学技术大学的教授。不过我得说，其实我的中文并不好，我在学习中文方面真的很费劲。虽然疫情期间有很多困难，但有一点还是挺好的——就是让我有机会学中文。因为在酒店房间隔离 21 天，确实有时间学一些中文词汇。不过，现在我实在太忙了，完全没有进步，感觉挺受挫。我只是尽量去用中文，也许这就是为什么大家觉得我的中文……嗯，反正不是最好的。

墨子沙龙：我觉得您的中文已经很不错了。非常感谢您今天来到这里，也谢谢您带来的精彩分享。

文字整理：程欢