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《Light》特邀記者 | 王卉、潘棟
編者按
他是世界三大洲際物理組織之一亞太物理學會聯合會（AAPPS）前任理事長、國際純物理與應用物理聯合會（IUPAP）物理與發展委員會前副主席、美國物理學會會士（APS Fellow）、英國物理學會會士（IOP Fellow）、國家傑出青年基金獲得者。現任清華大學物理系教授、北京量子信息科學研究院研究員。
本期，很榮幸邀請到龍桂魯教授接受Light人物採訪。在這次採訪中，龍教授將分享自己在量子信息科研與教書育人的經驗。今天就讓我們一起走近龍教授，了解他和Light背後的故事。
圖1. 2020年12月12日，龍桂魯教授在「我是科學家」演講
龍桂魯教授，1978年在高中一年級跳級考入山東大學，1982提前半年畢業，獲得山東大學理學學士，並考入清華大學讀研，分別於1985、1987年獲得清華大學理學碩士和博士學位。1987年開始在清華大學任教至今。1989-1993年在英國薩塞克斯大學從事博士後研究。研究方向包括量子信息、原子分子光物理、高能物理與原子核物理。
主要學術貢獻包括：（1）原創提出量子直接通信理論，是國際量子保密通信三大最主要的理論之一；（2）提出了以酉算子的線性組合（LCU）進行計算的對偶量子計算方法，打破了只能用酉算子乘除構造算法的限制，得到廣泛應用；（3）構造了被國際上稱為Grover-Long算法的量子精確搜索算法，改進了兩大量子算法之一的Grover算法的成功率；（4）提出了波函數就是系統本身（Wavefunction Is the System Entity,WISE）的量子力學波函數解析。
1997年獲得國家自然科學獎三等獎，1999年當選英國物理學會會士（IOP Fellow），2003年獲「國家傑出青年基金」資助，2007年獲得湯森路透卓越研究獎，2008年獲得中國物理學會饒毓泰物理獎，2011年當選美國物理學會會士（APS Fellow），同年獲得教育部自然科學獎一等獎，2013年獲得國家自然科學獎二等獎，2018年獲得中國電子學會自然科學獎一等獎、IBM全球傑出學者獎，2020年獲得中國通信學會科學技術獎一等獎。曾擔任亞太物理學會聯合會（AAPPS）理事長（2017-2019）、副理事長（2014-2016），IUPAP物理與發展工作委員會副主席（2015-2017）、委員（2009-2014）。現擔任亞太物理學會聯合會（AAPPS），亞太理論物理中心（APCTP）理事，《Light : Science & Applications》（Light）編委以及《Quantum Engineering》(Wiley)、《AAPPS Bulletin》期刊主編，《中國科學》、《Science Bulletin》、《物理學進展》、《EPL》等多個期刊副主編或編委。
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《Light》記者：您的研究領域是當下非常熱門的量子信息科學，國外的大科技公司如Google，IBM都投入了大量資金致力於實現量子霸權。您能簡要地介紹一下您在這一領域的代表工作嗎？您所採取的方式與其它同領域的學者的區別是什麼？
龍桂魯：非常高興接受light人物的採訪。量子信息是非常重要的研究領域，今年習近平總書記在中央政治局第二十四次集體學習中特別強調了發展量子科技的重要性和緊迫性。我從90年代中期開始從事量子信息的研究工作，共取得三項代表性成果。第一，提出和建立了量子直接通信理論，成為量子保密通信國際上最主要的三種理論之一；第二，構造了量子精確搜索算法，被國際上稱為龍算法、Grover-Long算法，將量子搜索的成功率提高到100%；第三，提出了對偶量子計算方法，採用酉算子的線性組合構造量子算法，突破了只能使用酉算子乘除進行計算的限制，得到廣泛應用。這些工作的一個顯著特點是其原創性。量子直接通信利用量子態安全地傳輸信息，將香農理論保證的噪聲信道下的可靠通信，發展為更高層面的在既有噪聲和竊聽信道下的可靠和安全通信，具有重要的科學意義和應用價值。
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《Light》記者：您的團隊在量子通信領域，建立了國際上第一個量子直接安全通信模型，開拓和促進了量子通信新方向的發展。這些創造性研究成果在國際上產生了重要廣泛的國際影響。近年來，像Lajos Hanzo，Seth Lloyd，Jeffrey Shapiro等一批國際重量級科學家也開始研究量子直接通信。您能談談其實際應用前景嗎？
龍桂魯：非常感謝您對我們工作的深入了解。這項工作是在20年前完成的。量子保密通信是應對量子計算機攻擊的解決方案之一，研究最多的是量子密鑰分發，我國發射了用於量子保密通信研究的墨子衛星，在這一領域的研究中達到國際領先水平。量子密鑰分發的工作原理是先用量子態協商密鑰，再用經典通信傳輸信息。我們創造性地提出量子直接通信，簡稱量子直通，其原理就是直接利用量子態來傳輸信息。它不僅能夠發現竊聽，而且還能夠防止竊聽，因而是「竊聽不動，量子直通」。令我們感到欣慰的是，經過20年發展，其重要性和應用前景逐漸顯示出來。利用量子直接通信傳輸經典密碼加密後的密文，可以構造安全中繼網絡，具有安全端通信（Secure）、竊聽感知（Eve-detecting）、與現有網絡兼容（Compatible）和輔助全量子網絡（Auxiliary）的特點，具有廣泛和長遠的應用前景。近年來，量子直通發展迅速，實用化樣機已經成功研製，目前正在向實際應用領域邁進。
圖2. 龍桂魯與越南科學技術院前院長NGUYEN Van Hieu
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《Light》記者：您的團隊在量子計算領域同樣做出了重要的貢獻。2000年，您構造了國際上稱為Grover-Long算法的量子精確搜索算法，改進了兩大量子算法之一的格羅夫（Grover）算法，得到包括格羅夫本人和量子計算創始人本尼沃夫等國內外專家的肯定；2005年您原創地提出了以酉算子線性組合進行計算的對偶量子計算方法，有力地促進了量子算法的發展。這些創造性成果被國際上多個實驗組所驗證，被廣泛引用，產生了重要國際影響。您能談談它們的實際應用前景和面臨的瓶頸問題麼？
龍桂魯：Grover-龍算法屬於量子計算。隨著近年來量子計算機硬體的快速發展，其離實際應用的距離越來越近，當有100個量子比特的量子計算機時，便可用於大數據分析和量子人工智慧。對偶量子計算中可以採用酉算子的線性組合操作進行計算，與只用酉算子乘除的原始模式相比，它的操作種類更多、形式更加多樣化，搭建起經典算法與量子算法間的橋梁，在新量子算法中得到廣泛的應用。例如，求解線性方程組的HHL量子算法就採用了酉算子線性組合操作。利用這一方法，我們構造了全量子本徵求解算法，在量子化學模擬中具有重要的應用前景。現在國際上正在努力研發量子計算機硬體，未來幾年，這些算法極有可能將得到實際應用。
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《Light》記者：前段時間，您的團隊在2020中關村論壇成果發布會上發布了「量子直接通信技術」，在這項研究中您遇到的最大困難是什麼？這項技術的未來發展趨勢是怎麼樣的？
龍桂魯：我們團隊來自北京量子院和清華大學，我們提出了安全容量估計、高損信道編碼和無量子存儲協議等三項技術[]，克服了量子直接通信實用化的關鍵性難題，使量子直接通信在現有的技術條件下得以實現並成功研製了實用化樣機。未來，量子直接通信將繼續提高傳輸距離和傳輸速率，向量子網絡方向發展。
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《Light》記者：發表論文是科研工作者的重要工作之一。您發表過的論文中，您印象最深刻的一次經歷是什麼？這對您的科研有什麼影響？
龍桂魯：有兩類工作可以產生重大影響。一類是最早的工作，一類是最好的工作。最早類的工作就是原創性工作，一定要儘快發表，這事關首發權的問題。但這些原創性工作很難在高層次的期刊上發表，主要原因是原創性工作的重要性在短期內無法被業界認同，滿足不了期刊發表的要求。比如：Benioff的量子計算機論文發表在普通的Journal of Statistical Mechanics上，量子密鑰分發的BB84論文發表在一個普通的會議論文集。我們的量子直接通信論文只有短短的三頁紙，於2000年12月13日在預印本庫上公開。雖然文章最終得以發表，但事實上，我們的投稿過程並不順利，2000年11月30日投稿PRL審稿不通過，後轉投PRA，最終文章在2002年的2月1日得以正式發表。正是由於我們在第一時間發表了成果，所以才確保了首發權。
圖3. 龍桂魯教授榮獲2017年「Top 10 Articles in Citations」獎
（從左數第四位）
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《Light》記者：2016年和2019年，您的團隊在《Light》上先後發表的成果都是關於量子直接通信的研究，您認為這兩項工作的意義分別是什麼？這三年中量子直接通信的研究取得了哪些進展？
龍桂魯：Light期刊對量子直接通信的發展起了重大的推動作用。2016年的論文[]在國際上首次證明了利用調製形狀可以實現在噪聲和損耗條件下量子直接通信的可行性，推動了國際上量子直接通信的實驗發展。2019年的論文[]報導了量子直接通信實用化的三項關鍵技術以及國際上首臺實用化量子直接通信樣機的雛形，極大地推動了量子直接通信實用化的發展。
圖4. 龍桂魯教授榮獲2018年「Outstanding Editor Awards」獎
（從右數第三位）
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《Light》記者：您在多個國內外學術組織中任職，長期擔任中國物理學會的常務理事，中國密碼學會量子密碼專業委員會會員。在國際上，您擔任了國際著名的三大洲際物理組織之一的亞太物理學會聯合會理事長，國際純物理與應用物理聯合會C13委員、副主席。請問，您是怎麼看待這些學會工作的呢？
龍桂魯：學會等組織通過組織學術會議、出版期刊、獎項等活動，促進相關學科的發展，例如普朗克關於能量量子化的發現就是在德國物理學會上發布的。我有幸參與了中國物理學會和相關國際學術組織的工作，為學科的發展以及中國和世界的學術交流做了一點力所能及的貢獻。為促進亞太物理學的發展，楊振寧先生於1989年成立亞太物理學會聯合會（AAPPS）並擔任首屆理事長。北京大學校長陳佳洱先生，上海交大校長張杰先生先後擔任了AAPPS理事長。目前，AAPPS已經成為具有廣泛且重要影響的國際物理組織，與美國物理聯合會（AIP）、歐洲物理學會（EPS）並肩成為國際上三大洲際物理學會聯合會。以前，我們的經費不足，很難出國交流。現在經濟情況好轉了，我們有更多的機會能夠與國際同行進行交流。這種交流對促進中國的學術發展發揮了重要作用，同樣通過這種活動，中國也在反哺世界物理的發展。我在擔任AAPPS理事長期間主抓三件事，第一，增加會員費，改善AAPPS的經濟狀況；第二，將楊振寧物理獎從每三年評選一次改為每年評選一次，成為和亞太理論物理中心（APCTP）共同評選的獎項；第三，啟動了AAPPS會士制度，評選了首批AAPPS榮譽會士。
圖5. 龍桂魯團隊參加在巴爾的摩舉辦的APS三月會議
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《Light》記者：您擔任過很多國內優秀期刊的編委，比如《light》，《Science Bulletin》，《SCIENCE CHINA: Physics, Mechanics & Astronomy》等，一直致力於推動這些期刊的發展，目前您也擔任《Quantum Engineering》和《AAPPS Bulletin》的主編，都取得了不錯的成效。推動您在期刊工作中不懈努力的動力是什麼呢？可以分享一下您的經驗麼？light與其它期刊的工作有什麼異同麼？
龍桂魯：我從2002年開始擔任《科學通報》的編委。為期刊審稿、做編委是科學家的責任和義務。通過期刊的服務工作我也能夠了解學科的發展情況。此外，我也是Light的編委，對Light的期刊非常了解，並從中學習到了寶貴的經驗。我覺得Light有兩大特點，第一，期刊目標遠大，有高水平的定位和辦好期刊的自信心。我剛開始做Light編委時，並沒有把Light當做一個高水平期刊，推薦給編輯部的第一篇稿件是一位朋友被PRL退回的稿件。但是編輯部同事告訴我，Light的定位比PRL更高，被Light拒稿後的文章，後來反而被PRL接收了，這件事給我留下了非常深刻的印象；第二，Light的國際化程度非常高，編委大部分由國外的非華裔專家構成。這些經驗在我今後的期刊工作中起到了很大的作用。近年來Light又在海外開設了多個辦公室，這是期刊發展的又一個創舉。
圖6. 2019年龍桂魯教授在Light Conference舉辦時作分會報告
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《Light》記者：您除了科研工作還有很多的期刊工作和其它社會工作，您是如何分配您的時間的？
龍桂魯：朱邦芬院士做清華大學物理系系主任時指出，教師的工作分三部分，一部分是教學，一部分是科研，還有一部分是管理和社會服務。在學校的管理工作、期刊和學會工作以及評審、科普等工作便屬於其中，這是國際上的慣例。如果能夠合理地安排時間，這些工作相輔相成，互相促進。教學可以促使你經常複習基礎知識，考慮更基本的科學問題；科研使你開闊視野，了解最新學科發展，促進教學；管理和社會服務工作能夠使你鍛鍊能力，促進科普。
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《Light》記者：您曾六次獲評清華大學「良師益友」稱號，可以分享一下做一位優秀導師的成功經驗麼？
龍桂魯：我非常感激同學們對我的信任。在學生培養方面，我主要繼承了博士生導師孫洪洲教授和博士後合作導師J P Elliott教授的傳統。這個傳統就是愛護學生、培養學生的自信心、形成自己的看家本事。自信心比科研能力更重要，有了自信心才敢想敢幹，挑戰權威，去創新。爭做一流，並不一定非要第一名不可。博士入學面試時孫老師問我是否知道程咬金，我說知道一點兒，武功排名28名，本事是三板斧。孫老師說，雖然他排名28，只會三板斧，但天下豪傑沒有多少人能抗得過他的三板斧。這三板斧，就是自己的獨特科研方法。在博士入學時，我自卑、沒有信心。在孫老師的鼓勵和培養下，到博士論文答辯時，我已經成為一名信心滿滿的學者。這些自信心的培養，也為後來的原創工作打下了基礎。
參考文獻
1. Ruoyang Qi, Zhen Sun, Zaisheng Lin, et al. Implementation and security analysis of practical quantum secure direct communication. Light: Science & Applications 8, 1 (2019).
2. Jian-Yong Hu, Bo Yu, Ming-Yong Jing, et al. Experimental quantum secure direct communication with single photons. Light: Science & Applications 5, e16144 (2016).
Light特邀記者介紹
王卉，現任中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（長春光機所）國際合作處副處長，主要從事國際交流，國際傳播，國際人才引進等工作；曾任長春光機所與自然出版集團合作期刊Light: Science & Applications創刊英文編輯，在《編輯學報》，《國際人才交流》等期刊發表文章多篇，並應SPIE邀請在SPIE Women in Optics發表文章。
潘棟，清華大學物理系在讀博士，師從阮東教授，研究課題為量子安全直接通信理論與實驗。2016年本科畢業於西北大學，2018年至2019年獲國家留學基金委資助赴英國南安普頓大學聯合培養，師從英國皇家工程院院士Lajos Hanzo教授。
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原標題：《Light人物：專訪清華大學龍桂魯教授》
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