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《Light》特邀记者 | 王卉、潘栋
编者按
他是世界三大洲际物理组织之一亚太物理学会联合会（AAPPS）前任理事长、国际纯物理与应用物理联合会（IUPAP）物理与发展委员会前副主席、美国物理学会会士（APS Fellow）、英国物理学会会士（IOP Fellow）、国家杰出青年基金获得者。现任清华大学物理系教授、北京量子信息科学研究院研究员。
本期，很荣幸邀请到龙桂鲁教授接受Light人物采访。在这次采访中，龙教授将分享自己在量子信息科研与教书育人的经验。今天就让我们一起走近龙教授，了解他和Light背后的故事。
图1. 2020年12月12日，龙桂鲁教授在“我是科学家”演讲
龙桂鲁教授，1978年在高中一年级跳级考入山东大学，1982提前半年毕业，获得山东大学理学学士，并考入清华大学读研，分别于1985、1987年获得清华大学理学硕士和博士学位。1987年开始在清华大学任教至今。1989-1993年在英国萨塞克斯大学从事博士后研究。研究方向包括量子信息、原子分子光物理、高能物理与原子核物理。
主要学术贡献包括：（1）原创提出量子直接通信理论，是国际量子保密通信三大最主要的理论之一；（2）提出了以酉算子的线性组合（LCU）进行计算的对偶量子计算方法，打破了只能用酉算子乘除构造算法的限制，得到广泛应用；（3）构造了被国际上称为Grover-Long算法的量子精确搜索算法，改进了两大量子算法之一的Grover算法的成功率；（4）提出了波函数就是系统本身（Wavefunction Is the System Entity,WISE）的量子力学波函数解析。
1997年获得国家自然科学奖三等奖，1999年当选英国物理学会会士（IOP Fellow），2003年获“国家杰出青年基金”资助，2007年获得汤森路透卓越研究奖，2008年获得中国物理学会饶毓泰物理奖，2011年当选美国物理学会会士（APS Fellow），同年获得教育部自然科学奖一等奖，2013年获得国家自然科学奖二等奖，2018年获得中国电子学会自然科学奖一等奖、IBM全球杰出学者奖，2020年获得中国通信学会科学技术奖一等奖。曾担任亚太物理学会联合会（AAPPS）理事长（2017-2019）、副理事长（2014-2016），IUPAP物理与发展工作委员会副主席（2015-2017）、委员（2009-2014）。现担任亚太物理学会联合会（AAPPS），亚太理论物理中心（APCTP）理事，《Light : Science & Applications》（Light）编委以及《Quantum Engineering》(Wiley)、《AAPPS Bulletin》期刊主编，《中国科学》、《Science Bulletin》、《物理学进展》、《EPL》等多个期刊副主编或编委。
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《Light》记者：您的研究领域是当下非常热门的量子信息科学，国外的大科技公司如Google，IBM都投入了大量资金致力于实现量子霸权。您能简要地介绍一下您在这一领域的代表工作吗？您所采取的方式与其它同领域的学者的区别是什么？
龙桂鲁：非常高兴接受light人物的采访。量子信息是非常重要的研究领域，今年习近平总书记在中央政治局第二十四次集体学习中特别强调了发展量子科技的重要性和紧迫性。我从90年代中期开始从事量子信息的研究工作，共取得三项代表性成果。第一，提出和建立了量子直接通信理论，成为量子保密通信国际上最主要的三种理论之一；第二，构造了量子精确搜索算法，被国际上称为龙算法、Grover-Long算法，将量子搜索的成功率提高到100%；第三，提出了对偶量子计算方法，采用酉算子的线性组合构造量子算法，突破了只能使用酉算子乘除进行计算的限制，得到广泛应用。这些工作的一个显著特点是其原创性。量子直接通信利用量子态安全地传输信息，将香农理论保证的噪声信道下的可靠通信，发展为更高层面的在既有噪声和窃听信道下的可靠和安全通信，具有重要的科学意义和应用价值。
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《Light》记者：您的团队在量子通信领域，建立了国际上第一个量子直接安全通信模型，开拓和促进了量子通信新方向的发展。这些创造性研究成果在国际上产生了重要广泛的国际影响。近年来，像Lajos Hanzo，Seth Lloyd，Jeffrey Shapiro等一批国际重量级科学家也开始研究量子直接通信。您能谈谈其实际应用前景吗？
龙桂鲁：非常感谢您对我们工作的深入了解。这项工作是在20年前完成的。量子保密通信是应对量子计算机攻击的解决方案之一，研究最多的是量子密钥分发，我国发射了用于量子保密通信研究的墨子卫星，在这一领域的研究中达到国际领先水平。量子密钥分发的工作原理是先用量子态协商密钥，再用经典通信传输信息。我们创造性地提出量子直接通信，简称量子直通，其原理就是直接利用量子态来传输信息。它不仅能够发现窃听，而且还能够防止窃听，因而是“窃听不动，量子直通”。令我们感到欣慰的是，经过20年发展，其重要性和应用前景逐渐显示出来。利用量子直接通信传输经典密码加密后的密文，可以构造安全中继网络，具有安全端通信（Secure）、窃听感知（Eve-detecting）、与现有网络兼容（Compatible）和辅助全量子网络（Auxiliary）的特点，具有广泛和长远的应用前景。近年来，量子直通发展迅速，实用化样机已经成功研制，目前正在向实际应用领域迈进。
图2. 龙桂鲁与越南科学技术院前院长NGUYEN Van Hieu
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《Light》记者：您的团队在量子计算领域同样做出了重要的贡献。2000年，您构造了国际上称为Grover-Long算法的量子精确搜索算法，改进了两大量子算法之一的格罗夫（Grover）算法，得到包括格罗夫本人和量子计算创始人本尼沃夫等国内外专家的肯定；2005年您原创地提出了以酉算子线性组合进行计算的对偶量子计算方法，有力地促进了量子算法的发展。这些创造性成果被国际上多个实验组所验证，被广泛引用，产生了重要国际影响。您能谈谈它们的实际应用前景和面临的瓶颈问题么？
龙桂鲁：Grover-龙算法属于量子计算。随着近年来量子计算机硬件的快速发展，其离实际应用的距离越来越近，当有100个量子比特的量子计算机时，便可用于大数据分析和量子人工智能。对偶量子计算中可以采用酉算子的线性组合操作进行计算，与只用酉算子乘除的原始模式相比，它的操作种类更多、形式更加多样化，搭建起经典算法与量子算法间的桥梁，在新量子算法中得到广泛的应用。例如，求解线性方程组的HHL量子算法就采用了酉算子线性组合操作。利用这一方法，我们构造了全量子本征求解算法，在量子化学模拟中具有重要的应用前景。现在国际上正在努力研发量子计算机硬件，未来几年，这些算法极有可能将得到实际应用。
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《Light》记者：前段时间，您的团队在2020中关村论坛成果发布会上发布了“量子直接通信技术”，在这项研究中您遇到的最大困难是什么？这项技术的未来发展趋势是怎么样的？
龙桂鲁：我们团队来自北京量子院和清华大学，我们提出了安全容量估计、高损信道编码和无量子存储协议等三项技术[]，克服了量子直接通信实用化的关键性难题，使量子直接通信在现有的技术条件下得以实现并成功研制了实用化样机。未来，量子直接通信将继续提高传输距离和传输速率，向量子网络方向发展。
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《Light》记者：发表论文是科研工作者的重要工作之一。您发表过的论文中，您印象最深刻的一次经历是什么？这对您的科研有什么影响？
龙桂鲁：有两类工作可以产生重大影响。一类是最早的工作，一类是最好的工作。最早类的工作就是原创性工作，一定要尽快发表，这事关首发权的问题。但这些原创性工作很难在高层次的期刊上发表，主要原因是原创性工作的重要性在短期内无法被业界认同，满足不了期刊发表的要求。比如：Benioff的量子计算机论文发表在普通的Journal of Statistical Mechanics上，量子密钥分发的BB84论文发表在一个普通的会议论文集。我们的量子直接通信论文只有短短的三页纸，于2000年12月13日在预印本库上公开。虽然文章最终得以发表，但事实上，我们的投稿过程并不顺利，2000年11月30日投稿PRL审稿不通过，后转投PRA，最终文章在2002年的2月1日得以正式发表。正是由于我们在第一时间发表了成果，所以才确保了首发权。
图3. 龙桂鲁教授荣获2017年“Top 10 Articles in Citations”奖
（从左数第四位）
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《Light》记者：2016年和2019年，您的团队在《Light》上先后发表的成果都是关于量子直接通信的研究，您认为这两项工作的意义分别是什么？这三年中量子直接通信的研究取得了哪些进展？
龙桂鲁：Light期刊对量子直接通信的发展起了重大的推动作用。2016年的论文[]在国际上首次证明了利用调制形状可以实现在噪声和损耗条件下量子直接通信的可行性，推动了国际上量子直接通信的实验发展。2019年的论文[]报道了量子直接通信实用化的三项关键技术以及国际上首台实用化量子直接通信样机的雏形，极大地推动了量子直接通信实用化的发展。
图4. 龙桂鲁教授荣获2018年“Outstanding Editor Awards”奖
（从右数第三位）
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《Light》记者：您在多个国内外学术组织中任职，长期担任中国物理学会的常务理事，中国密码学会量子密码专业委员会会员。在国际上，您担任了国际著名的三大洲际物理组织之一的亚太物理学会联合会理事长，国际纯物理与应用物理联合会C13委员、副主席。请问，您是怎么看待这些学会工作的呢？
龙桂鲁：学会等组织通过组织学术会议、出版期刊、奖项等活动，促进相关学科的发展，例如普朗克关于能量量子化的发现就是在德国物理学会上发布的。我有幸参与了中国物理学会和相关国际学术组织的工作，为学科的发展以及中国和世界的学术交流做了一点力所能及的贡献。为促进亚太物理学的发展，杨振宁先生于1989年成立亚太物理学会联合会（AAPPS）并担任首届理事长。北京大学校长陈佳洱先生，上海交大校长张杰先生先后担任了AAPPS理事长。目前，AAPPS已经成为具有广泛且重要影响的国际物理组织，与美国物理联合会（AIP）、欧洲物理学会（EPS）并肩成为国际上三大洲际物理学会联合会。以前，我们的经费不足，很难出国交流。现在经济情况好转了，我们有更多的机会能够与国际同行进行交流。这种交流对促进中国的学术发展发挥了重要作用，同样通过这种活动，中国也在反哺世界物理的发展。我在担任AAPPS理事长期间主抓三件事，第一，增加会员费，改善AAPPS的经济状况；第二，将杨振宁物理奖从每三年评选一次改为每年评选一次，成为和亚太理论物理中心（APCTP）共同评选的奖项；第三，启动了AAPPS会士制度，评选了首批AAPPS荣誉会士。
图5. 龙桂鲁团队参加在巴尔的摩举办的APS三月会议
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《Light》记者：您担任过很多国内优秀期刊的编委，比如《light》，《Science Bulletin》，《SCIENCE CHINA: Physics, Mechanics & Astronomy》等，一直致力于推动这些期刊的发展，目前您也担任《Quantum Engineering》和《AAPPS Bulletin》的主编，都取得了不错的成效。推动您在期刊工作中不懈努力的动力是什么呢？可以分享一下您的经验么？light与其它期刊的工作有什么异同么？
龙桂鲁：我从2002年开始担任《科学通报》的编委。为期刊审稿、做编委是科学家的责任和义务。通过期刊的服务工作我也能够了解学科的发展情况。此外，我也是Light的编委，对Light的期刊非常了解，并从中学习到了宝贵的经验。我觉得Light有两大特点，第一，期刊目标远大，有高水平的定位和办好期刊的自信心。我刚开始做Light编委时，并没有把Light当做一个高水平期刊，推荐给编辑部的第一篇稿件是一位朋友被PRL退回的稿件。但是编辑部同事告诉我，Light的定位比PRL更高，被Light拒稿后的文章，后来反而被PRL接收了，这件事给我留下了非常深刻的印象；第二，Light的国际化程度非常高，编委大部分由国外的非华裔专家构成。这些经验在我今后的期刊工作中起到了很大的作用。近年来Light又在海外开设了多个办公室，这是期刊发展的又一个创举。
图6. 2019年龙桂鲁教授在Light Conference举办时作分会报告
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《Light》记者：您除了科研工作还有很多的期刊工作和其它社会工作，您是如何分配您的时间的？
龙桂鲁：朱邦芬院士做清华大学物理系系主任时指出，教师的工作分三部分，一部分是教学，一部分是科研，还有一部分是管理和社会服务。在学校的管理工作、期刊和学会工作以及评审、科普等工作便属于其中，这是国际上的惯例。如果能够合理地安排时间，这些工作相辅相成，互相促进。教学可以促使你经常复习基础知识，考虑更基本的科学问题；科研使你开阔视野，了解最新学科发展，促进教学；管理和社会服务工作能够使你锻炼能力，促进科普。
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《Light》记者：您曾六次获评清华大学“良师益友”称号，可以分享一下做一位优秀导师的成功经验么？
龙桂鲁：我非常感激同学们对我的信任。在学生培养方面，我主要继承了博士生导师孙洪洲教授和博士后合作导师J P Elliott教授的传统。这个传统就是爱护学生、培养学生的自信心、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干，挑战权威，去创新。争做一流，并不一定非要第一名不可。博士入学面试时孙老师问我是否知道程咬金，我说知道一点儿，武功排名28名，本事是三板斧。孙老师说，虽然他排名28，只会三板斧，但天下豪杰没有多少人能抗得过他的三板斧。这三板斧，就是自己的独特科研方法。在博士入学时，我自卑、没有信心。在孙老师的鼓励和培养下，到博士论文答辩时，我已经成为一名信心满满的学者。这些自信心的培养，也为后来的原创工作打下了基础。
参考文献
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特邀记者介绍
王卉，现任中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（长春光机所）国际合作处副处长，主要从事国际交流，国际传播，国际人才引进等工作；曾任长春光机所与自然出版集团合作期刊Light: Science & Applications创刊英文编辑，在《编辑学报》，《国际人才交流》等期刊发表文章多篇，并应SPIE邀请在SPIE Women in Optics发表文章。
潘栋，清华大学物理系在读博士，师从阮东教授，研究课题为量子安全直接通信理论与实验。2016年本科毕业于西北大学，2018年至2019年获国家留学基金委资助赴英国南安普顿大学联合培养，师从英国皇家工程院院士Lajos Hanzo教授。
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原标题：《Light人物：专访清华大学龙桂鲁教授》