張首晟：天使粒子將會給量子計算帶來0到1的突破

【他是誰】

張首晟，是個“神童”，直接跳過高中，自學從初中進入復旦大學；師從楊振寧，被認為獲得諾獎只是時間問題；開創(chuàng)了拓撲絕緣體這個全新領域，發(fā)現(xiàn)了“量子自旋霍爾效應”，包攬了物理界所有重量級獎項；被聘為斯坦福大學物理教授，成為斯坦福大學最年輕的終身教授之一；張首晟還極具商業(yè)頭腦，創(chuàng)辦了“丹華資本”。

張首晟還獲得2017年度中華人民共和國國際科學技術合作獎。

【精彩言論】

1、科學如此廣闊的領域，如何找到好的課題，是需要很好的戰(zhàn)略眼光的科學家。就像在大海航行還是需要舵手的。

2、中國對科學越來越重視，科學家也受到了更多的尊重。其實，中國教育的根基做的非常好，而且中國在科學儀器上投入越來越大，實驗科學會發(fā)展的很快。

3、但是國內很多科學實驗還是跟風，比如國外已經(jīng)做了N的話，他做N+1的，而不是0到1的。

4、量子計算是一個戰(zhàn)略性高度的領域，我們在這個領域闖出了一個全新的道路。天使粒子將會對量子計算帶來革命性的影響，會是從0到1的突破。

5、我們現(xiàn)在做的一個全新方向是用人工智能來預言新的材料，而且會考慮引入中國，造福整個人類。

6、我是出生于中國的科學家，雖然在斯坦福工作，但是我總是想把科學橋梁工作能夠做好。

注“天使粒子”是張首晟教授對發(fā)現(xiàn)手性Majorana費米子的命名，這一發(fā)現(xiàn)以論文的形式發(fā)表在《科學》雜志上，第一作者何慶林將該粒子命名為了“太極粒子”。

【正文】

發(fā)現(xiàn)“天使粒子”之后，張首晟及其團隊沒有停止研究的腳步。近期，張首晟回國在人民大會堂領受“2017年度中華人民共和國國際科學技術合作獎”之后，接受了網(wǎng)易科技的采訪。張首晟教授不僅講述了這次獲獎的意義以及今后與國內科學家合作的方向，而且透露了實驗室正在進行的前沿科研項目：一個關于量子計算；一個關于預測新材料。

量子計算是“未來技術革命的核心”，不僅國內外行業(yè)巨頭企業(yè)，谷歌、IBM、英特爾、微軟、阿里、華為等投入資源研發(fā)，國家也投入了巨資研發(fā)。來自美國《科學》雜志曾撰文指出，科技巨頭都在量子計算領域投入數(shù)千萬美元研發(fā)，并選擇了不同的量子計算技術。

“在國際范圍里，量子計算機已經(jīng)是一個非常關注的研究課題，也是一個戰(zhàn)略制高點，但大家都還是在摸方向的階段。”張首晟表示。

目前量子計算的過程中，一個量子比特非常脆弱，如果想要獲得一個真正有用的量子比特，需要十個或者二十多個量子比特來糾錯。“這樣的話，缺乏可拓展性。”張首晟解釋道，“但我們發(fā)現(xiàn)的’天使粒子’會給整個量子計算領域帶來0到1的突破性。”

張首晟認為：“天使粒子”的拓撲量子計算原理，一個量子比特自己不會犯錯，能夠運行下去，將會對量子計算帶來很大的革命性影響。

“天使粒子”被發(fā)現(xiàn)之初，張首晟教授在接受網(wǎng)易科技等媒體采訪時就講過，Majorana費米子（后來被命名的“天使粒子”）是通常粒子的一半，通常的量子比特非常脆弱，這也是其核心致命的傷。天使粒子可以將1個量子比特拆成兩個更小的單位，如此一來，傳統(tǒng)的噪聲極其難以同時以同樣的方式影響這兩個Majorana費米子，進而毀滅所存儲的量子信息。相較于傳統(tǒng)的存儲方式，比如電子自旋，超導磁通和光子極化，這樣存儲在遠離的兩個Majorana費米子上的拓撲量子比特，本質上極其穩(wěn)固。

“天使粒子”不僅從概念層次上進行顛覆，將修正古典哲學有正必有反，有陰必有陽的理論；還會從物理層面上進行顛覆，最基本量子單位拆成兩半，可以更穩(wěn)定，科學將走向技術。

據(jù)張首晟透露，其最近在斯坦福大學成立了拓撲量子物理中心，正在規(guī)劃在中國做一個實驗中心，將理論上的設想在中國土地上真正實現(xiàn)。

除了量子計算之外，張首晟最近在做一個非常新的方向：用人工智能來預言新的材料。

材料對整個人類起著非常重大的作用，人類的每一個重大歷史時期都用一種材料來命名：比如舊石器時代、新石器時代、青銅器時代、鐵器時代，后來的硅片時代。但過去幾乎所有的材料都是在一種偶然的實驗室情況下被發(fā)現(xiàn)，比如拓撲絕緣體材料是整個人類文明上史無前例的發(fā)現(xiàn)，但這個材料的發(fā)現(xiàn)是在實驗室里偶然的發(fā)現(xiàn)。

這樣材料的發(fā)現(xiàn)過程是無效而高成本的。但張首晟表示，可以用人工智能來改變方法論，用理論來指導實驗的進步，發(fā)現(xiàn)有用的材料。

“一旦這個做成之后，我們不但可以預言一些有用的無機的材料，我們更可能會預言一些有機的材料，甚至小分子，可以用它來做精準醫(yī)療。”張首晟興奮的表示。

以上這兩個重大的科學研究方向，張首晟都會將其帶回國內，與中國合作來做。這是出生在中國的科學家的張首晟的情懷，也是因為中國科學在國際上影響越來越大。

張首晟表示，科學是誤解的，希望自己能夠把中外科技發(fā)展的橋梁工作做好。

而這也正是國家將“2017年度中華人民共和國國際科學技術合作獎。”授予張首晟的原因。

其實，除了在科學研究方向的合作，張首晟還成立了丹華資本，正是配合國家的“雙創(chuàng)”，想要樹立一個“產(chǎn)學研”三者成功的楷模。

“‘丹華’兩個字，就是想把斯坦福和中國緊密地聯(lián)合在一起。”張首晟表示道。

以下為網(wǎng)易科技對張首晟采訪的部分記錄：

網(wǎng)易科技：您剛剛獲得2017年中國國家國際科學技術合作獎，對此獎項您有什么感想嗎？

張首晟：這個醞釀了差不多一年時間，每年新年開始是黨和國家領導的一個比較重大的項目?，F(xiàn)在國家對科技越來越重視。這個是中國對外國公民一個最高的認可獎。

中國現(xiàn)在有個普遍的一個現(xiàn)象就是如果有一個固定目標的話，我們總能集中很大的精力來攻克。在我們這個領域，我在國際領域上面開辟了拓撲絕緣體的研究。在當時還沒有特別受到關注的情況下，使我們國家的科學工作者能夠進入這個領域。

所以接下來我們國家給我們自己科學家發(fā)的很多獎都是在拓撲絕緣體、量子反?；魻栃獌蓚€大的領域。這也是我在2006年、2007年在國際領域上面開辟了一個新的領域。我正好在2009年的時候就來到了中國，來做“千人計劃”，這是B類的，就是訪問型的“千人計劃”。所以在這個過程當中，能夠把一些最最前沿的課題待到國內，這樣我們國內的科技工作者一下子就走到非常前沿。

所以總的來說，中國過去幾年在整個世界領域里面取得的科學上面的一些成就，跟國外的合作也是有關的。我這次也是非常榮幸能夠得到這個獎，也是認可在這個方面做的貢獻。

網(wǎng)易科技：“千人計劃”的科學家其實還蠻多的。發(fā)給您的理由是什么？因為拓撲絕緣體嗎？

張首晟：是的，拓撲絕緣體和量子反?；魻栃陌l(fā)現(xiàn)，使得我們中國做出的科學工作走到了整個世界的前沿。

中國今后在整個科技領域的往前發(fā)展，就是需要有戰(zhàn)略眼光的科學家。所以在整個科學領域，有目標的話，大家有一個科學方法論在做；科學那么寬廣的領域里面，如何去找到好的課題？大海航行是需要靠舵手的。

我們現(xiàn)在對中國也是越來越樂觀，一個是我們在“千人計劃”之后，像我們這樣的科學家能夠把一些最有前途的研究課題多帶給中國；另外，我們的學生輩已經(jīng)能夠來到中國做“青年千人”計劃，這樣的話，他們就扎根在中國做科學研究。所以我覺得我們中國科學會繼續(xù)往前推進，走向國際的前沿，還是非常有信心的。

網(wǎng)易科技：您后續(xù)跟中國的合作有新的什么計劃嗎？

張首晟：今后會更加緊密的合作。2017年7月份，我們也宣布發(fā)現(xiàn)了“天使粒子”，它尤其是對量子計算機會有很大的推動?，F(xiàn)在國際范圍里面，量子計算機已經(jīng)是一個非常非常關注的研究課題，但是我們闖出了一個全新的道路?，F(xiàn)在在量子計算機的過程當中，一個量子比特非常脆弱，用通常的辦法的話，要做一個量子比特的話，糾錯就需要十個或者二十個量子比特。

這意味著需要十個、二十個糾錯的量子比特為一個真正有用的量子比特來服務。這樣的話，缺乏可拓展性。

但我們希望用了拓撲量子計算的原理之后，一個量子比特自己不會犯錯，能夠運行下去。這樣的話，肯定是會對整個量子計算帶來很大的革命性的影響。

網(wǎng)易科技：量子計算是目前國內外關注的重點，中國在量子通信方面已經(jīng)做的非常好，比如潘建偉老師。您怎么看待中外在量子計算方面的差距？

張首晟：中國現(xiàn)在還沒有完全開始，還是做了一個比較傳統(tǒng)的量子計算機的規(guī)劃。

我認為這些傳統(tǒng)的規(guī)劃必然受到可拓展性的限制。我們通過過去一段時間的合作，已經(jīng)在拓撲絕緣體這個領域里面做了很大的成就，我也是更希望能夠把這個路繼續(xù)能夠跟我們國內的科學家緊密地合作，繼續(xù)把它走下去，更能夠站到科研的前沿。

網(wǎng)易科技：所以這是您未來跟中國合作的一個重要的方向？

張首晟：對，重大的方向。我最近在斯坦福大學成立了拓撲量子物理中心，然后我現(xiàn)在也在規(guī)劃，在中國做一個實驗中心，把我們的一些理論上的設想在中國這個土地上能夠真正來實現(xiàn)。

網(wǎng)易科技：會跟大學有一些合作嗎？

張首晟：對。量子計算除了國內之外，美國的話，一些大的企業(yè)也在研究，這也是一個比較罕見的。這個總的來說，量子是一個比較基礎性的研究。谷歌也在做，微軟也在做，IBM也在做，所以這個事情確實是一個戰(zhàn)略制高點。但是現(xiàn)在在整個國際范圍里面，我們提出了一個全新的原理，我們認為它最終會成為最成功的一條道路。但是這當然是要通過很多的實驗。

另外，國內現(xiàn)在對科學儀器上面做了很大的投入，所以這方面，我作為理論科學家，是需要很多實驗裝置的配合。

網(wǎng)易科技：目前整個全世界范圍內，大家對量子計算的研究進入到哪個階段了，或者有沒有一個詞去形容它。然后中國是處于哪個階段呢？

張首晟：我覺得總的來說，大家還是在摸方向的一個階段。最核心的一點，我覺得就是可拓展性。就像我剛才講的，一個量子比特需要十個、二十個量子比特來為它糾錯，我覺得這個方案肯定是不可行的。

網(wǎng)易科技：您感覺中國在量子計算這方面和國外是有差距的嗎？

張首晟：在量子計算，還是有差距的。

網(wǎng)易科技：更多的差距是一些理論性的差距，還是原創(chuàng)性的差距？

張首晟：我覺得還是沒有一個全新的設想。國內做的很多實驗基本上還是跟風，比如國外已經(jīng)做了N的話，他做N+1的，而不是0到1的。我覺得我們最近“天使粒子”的發(fā)現(xiàn)的確是會給整個量子計算領域帶來一個0到1的突破性，最最原始的一個創(chuàng)新。

網(wǎng)易科技：這種創(chuàng)新，您選擇在國內做，還是國外也同步呢？

張首晟：因為我在斯坦福能夠收到很多優(yōu)秀的學生，而且我又做理論，所以我們很多理論的設計是在斯坦福大學、在國外做。但是就像我剛才提起，現(xiàn)在國內對科學儀器設備上面大量的投入，所以我想基本上每一個設想，把理論工作和實驗工作作為這么一個橋梁的配合。

網(wǎng)易科技：除了量子計算之外，還有其他方向的計劃嗎？

張首晟：另外，在整個研究領域里面，我們最近做了一個非常新的方向，就是用人工智能來預言新的材料。拓撲絕緣體材料的發(fā)現(xiàn)在整個人類文明上是史無前例的，過去的材料往往在實驗室里面偶然發(fā)現(xiàn)，但是拓撲絕緣體的材料是我們理論上預言的。材料對整個人類起著非常重大的作用，我們人類的每一個重大歷史時期都用一種材料來命名，比如舊石器時代、新石器時代、青銅器時代、鐵器時代，到了硅片時代。

但是過去所有的材料幾乎在一種偶然的實驗情況下被發(fā)現(xiàn)，這樣的話，非常無效。但是最近拓撲絕緣體的發(fā)現(xiàn)完全改變了這個方法論，使得我們能夠用理論來指導這個實驗的進步，能夠來發(fā)現(xiàn)這些有用的材料。

一旦這個做成之后，我們不但可以預言一些有用的無機的材料，我們更可能會預言一些有機的材料，甚至小分子，可以用它來做精準醫(yī)療。

網(wǎng)易科技：會考慮引入中國嗎？

張首晟：也會考慮。我是非常有這個情懷，我覺得科技合作獎也是代表了我們中國走向國際化的很好的一個標志。因為中國現(xiàn)在的崛起肯定是世界不可阻擋的潮流，但是往往大家也會擔心中國這個崛起的過程。但在科技領域里可以做緊密的合作，因為科技的合作是無國界的，而整個科學是無界的、無邊的。這樣的話，我們這樣一起造福于整個人類。

網(wǎng)易科技：除了情懷這方面，國內的科研環(huán)境有沒有會讓您覺得更好一些呢？

張首晟：其實我在斯坦福大學絕大部分的學生都是來自中國的名校，尤其是清華大學。所以2009年來到清華大學，就是在楊振寧先生創(chuàng)辦的高等研究院做訪問學者，做特聘教授。所以我覺得中國教育的根基其實做得非常好。我們在整個科研過程當中，理論物理非常需要一個很有功底的學生來做。所以在這上面，我也是非常受益于來中國的訪問和清華大學的交流。

網(wǎng)易科技：您感覺目前中國大家對科學的氛圍怎么樣？

張首晟：我覺得大家是越來越重視，在整個GDP上面已經(jīng)有相當大的比重是投入于科學，在整個宣傳方面也是非常注重對科學家的宣傳。

另外還有兩點，一個是中國聰明優(yōu)秀的學生，一個是中國現(xiàn)在科學儀器上面大量的投入，使得我們一些設想能夠很快地經(jīng)過實驗的論證。

今天的演講也提了這一點，就是要讓科學家們得到整個社會的尊重?，F(xiàn)在是大家最最關注科學的時候。

所以在這個時刻，我也是感到責任是非常重大的，真是想把這個橋梁作用能夠做好。尤其中國最最需要的，就是我能夠貢獻的那一部分，就是現(xiàn)在需要有一個方向，就是科研在那么多可以選擇的科研課題上面，到底去選擇哪一個最能夠為整個人類帶來最新的知識，能夠真正造福于人類。

網(wǎng)易科技：我們知道除了科研，您還創(chuàng)辦了丹華資本。

張首晟：對，丹華其實也是為了配合我們國家的“雙創(chuàng)”。我們國家的“雙創(chuàng)”最需要的是，要有一個“產(chǎn)學研”三者成功的一個楷模，而斯坦福大學就是一個“產(chǎn)學研”非常成功的典范。丹華的理念，首先是一個三角形，就是“產(chǎn)學研”。然后有兩個大的跨界，一個是把科學研究的前沿和投資緊密聯(lián)合在一起，一個是要建立中國和美國的橋梁。

創(chuàng)立丹華資本，跟我們國家的命運緊密結合在一起，這個是配合我們國家“雙創(chuàng)”的機會。那么“雙創(chuàng)”的話，現(xiàn)在我們國內商業(yè)模式的創(chuàng)新其實已經(jīng)挺多了，但是真正要做前沿科技的創(chuàng)新，并且把前沿科技的創(chuàng)新能夠早日轉換成能夠造福于人類的一種產(chǎn)品。這樣的話，我覺得需要有“產(chǎn)學研”上面的一個楷模。

而斯坦福大學在這方面做得非常成功。我當年在斯坦福大學做教授的時候，也成功地投資過VMware這家公司，所以我也是為了響應“雙創(chuàng)”的號召，能夠真正地配合我們國家的“雙創(chuàng)”。所以“丹華”兩個字，就是想把斯坦福和中國緊密地聯(lián)合在一起。

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