——记上海大学理学院物理系教授刘俊杰

　王 芳　谢更好

19世纪末20世纪初，当一部分经典物理学家自信地认为物理学大厦已基本落成，留给未来研究者的工作仅剩把测量精度不断往小数点后面推进时，量子力学横空出世。对熟知经典力学的人来说，初次掀开量子世界一角朝里窥视不亚于见到一个奇异、缥缈的“世外仙境”。来自两个世界的激烈交锋，引出了为无数后人痴迷的问题：现实的本质是什么？什么样的现实描述方法才算有意义？

直到今天，人们仍在为此苦苦追索，因此造就许许多多猜想设计，创造的科学精神得以持续流淌。上海大学理学院物理系的青年教授刘俊杰正是一名量子领域的痴迷者。他专注于噪声环境下的量子操控器件这一研究主题，基于开放量子体系框架建立器件物理模型，探究噪声环境对量子操控器件的影响机制并提出调控方案，在量子能量调控器件等方向上取得了一系列原创成果。研究兴趣涉及：量子热力学（量子热机、量子涨落），量子态存储和传输器件理论，导电纳米结（电荷输运过程的描述、电学功能器件）及量子电池。

在刘俊杰的眼中，量子世界虽然离散不定、难以捉摸，却仍可在某种程度上视为经典世界一个施了魔法的微缩版本。因此，他十分善于通过两个世界不同领域间的类比来提出新的物理问题和发展新的理论计算工具，相关研究具备显著的交叉学科特色，同时注重理论与实验的结合。

经由经典世界走入量子世界的十余年科研生涯中，为汲取国际一流课题组的不同研究方法，取得原始性创新成果，刘俊杰连续在美国麻省理工学院、加拿大阿尔伯塔大学、加拿大多伦多大学从事博士后研究工作超过52个月。于纷繁物理迷宫中搜集暗藏的通关密钥，他精心打磨科研的罗盘，一次次走入死胡同又一次次找到新路线。而今加入上海大学，他渴望带领更多人加入这场奇妙探险，领略异彩纷呈的量子世界。

科研路：求证想象与物理研究的一致性

相比对物理学始终不变的好感，对是否要从事物理学研究，刘俊杰却持审慎态度。很长一段时间里，他像一位羞怯的暗恋者，小心求证着内心想象与物理世界的一致性。

“从初中第一次上物理课，我就发现自己能比同学更快地理解课程内容，以至于后来每次物理考试都名列班级第一。”持续的成就感，让刘俊杰对物理倍感亲切。从中学参加物理竞赛获得省级一等奖到后来考上复旦大学物理系，一切自然而然。可即便选择了物理专业，他仍然没有下定决心从事这一行。“后来我主动跟教授们尤其是我的‘寝室导师’陶瑞宝院士交流，想要从不同方面了解这个学科。大三又提前进入后来的博士生导师的课题组，一方面接受规范的科学训练，另一方面寻找感兴趣的研究点。这样，才将志向落定。”从擅长到喜欢到最终确认自己与物理世界真的适配，刘俊杰用了10年。

“进入课题组后，我在搜索文献时看到一个名为‘热输运’的领域，对它的研究内容和方式产生了兴趣，以此为主题展开毕业设计。”2011年，基于优异的学业成绩和在毕业设计中展现的科研潜力，刘俊杰获得复旦大学直博资格、优秀本科生毕业荣誉及博士生新生最高奖——相辉奖。据了解，这并非普通的奖学金，而是出于对科学精神的弘扬、鼓励研究生从事科研之需要而设立的奖项，其中一条硬性标准便是“在某学科、领域取得突出成绩”。

博士前期，刘俊杰将研究重心放在经典体系中的热输运问题上，在导师推荐下前往新加坡国立大学交流，师从声子学和热超结构材料研究的开拓者李保文教授。“经过大三和大四的学习，我跟博士生导师都对经典非线性晶格中孤子是否会在热输运中扮演角色持不确定态度。带着这样的疑问，我在新加坡用心钻研，不光解答了疑惑，还收获了领域内的前沿资讯，为之后的博士学习打下了坚实基础。”

在新加坡的一年时光中，刘俊杰主要跟随李保文教授十分倚重的一名博士生学习。“师兄颇得李教授真传，我在师兄的带领下接受了从创新想法的提出到最后形成科研文章的完整训练。同时，他还耐心地教我编程、制图、整理文献等基本技能。良好的培训对我日后的科研学习产生了深远影响，尤其是我至今的编程风格和思路还依然遵循师兄当年的建议。”

完成了经典体系热输运问题的研究后，带着满满收获，刘俊杰踏上返程。此时，因为接触到国际前沿的资讯，他内心对推动了现代社会发展并呈现旺盛生命力的量子体系产生了浓厚兴趣。“前期的研究告一段落，交流结束回国后我正好面临着开启新课题的节点。既然在经典体系中存在不符合傅立叶定律的热输运行为，那么在量子体系中热输运的行为是怎样的呢？”博士后半段，刘俊杰显露出他进行不同领域类比研究的才能，在量子体系中对输运问题进行了探究，卓有成效。由此，经由经典世界，他走入量子世界，开启了真正的探险。

海外行：类比的交叉研究激发思维碰撞

52个月，4年有余。带着拜师学艺的诚心，负笈单步，刘俊杰依次走入美国麻省理工学院、加拿大阿尔伯塔大学、加拿大多伦多大学，所在课题组无一不是国际首屈一指的开放量子体系研究团队。在选择这些不同背景的课题组进行博士后研究时，他充分考虑到了解不同特色研究的必要性，希望借此加深在开放式量子体系，以及输运问题方面的理论技术、研究方式积淀。

“谈到一个量子体系，其实小至单个量子点，大至量子计算机，均不可能独立存在。比如量子点一般要在衬底上制备，量子计算机也必须和别的仪器相连才能测量和读取数据。”在这种实际应用中，量子体系与外界环境进行相互作用，从而成为开放量子体系。刘俊杰的研究就是借助开放量子体系概念，研究具体的量子器件模型，比如量子热机、纳米管分子节、量子内存等。他的初衷是通过这种研究方式促进相关量子器件的应用研究。

在麻省理工学院，刘俊杰的合作导师虽身在化学系却出身物理系，研究思路常常是偏物理学的。在阿尔伯塔大学，他的合作导师则出身理论化学领域，选取的问题或研究思路往往从化学角度出发。经过在两所学校的研究学习，刘俊杰意识到交叉研究对创新成果的重要性。为让思考问题的方式更多元，他又申请了多伦多大学黛维拉·西格尔（Dvira Segal）教授课题组的博士后职位。黛维拉·西格尔教授正是一位不局限方法，只局限问题，善于利用他山之石的个性学者。她的风格完美契合了刘俊杰的所求。

在多伦多大学量子信息与量子调控中心，刘俊杰起先研究量子光学里的光物质耦合体系的相互作用。一天，他忽发奇想：“可不可以在一个纳米分子节里也进行类似的高阶相互作用的研究？”于是，从一个完全不同的量子光学体系中，他得到灵感，开始研究纳米分子节。这是一种与硅基半导体技术相比，尺寸更小、制备更容易的技术。若解决其集成问题，则可打破摩尔定律，并解决我国在芯片上的“卡脖子”问题。

“在建立模型研究高阶电子和声子的相互作用，以及对电子输运过程的影响的计算中，我又凑巧在简单模型里发现了负微分电阻现象。”这是一种随着电压增大，电流却反常减小的现象。通过进一步探究，刘俊杰的结论刚好解释了2005年一个知名实验的测量结果，文章发表后很快引起了学界关注。因为接连的“巧合”，他直言自己运气好，并真诚地感慨道：“对我而言，这项成果的有趣之处还在于它是以交叉科研的思路解决了问题，为我之后的研究增添了很多信心。”

刘俊杰的另一项代表性成果也在这期间形成，是关于量子热机的。如果说前面那项成果的关键词是“幸运”，那这项成果的关键词大概是“痛苦”。

“人们对量子世界的许多研究都基于假设。在量子热机领域也是如此，假设量子热机是完美的，不管运行多少次都不会出现损耗。而我却认为这不符合实际应用。”要想弄明白量子热机是否存在损耗现象，第一个问题是怎么把最初的设想变成具体的科学问题。为此，刘俊杰跟合作者绞尽脑汁地讨论了两三个月，才从理论上进行了推导确定，把一个科研设想变成一个数学推导，之后再转化为一个物理问题。

“有了理论基础，我们便寻找具体的模型进行验证。这个过程是最痛苦的，又用时近4个月，不断尝试，不断寻找。”刘俊杰和合作者想要研究量子热机的工作介质与热库环境强耦合的情形，但实际上现有的大部分开放量子体系的理论处理方法都在关注弱耦合情形，在强耦合方面还没有很好的理论方法。“所以，我们一方面要寻找合适的量子热机模型，一方面还要找合适的数值计算方法。没有值得借鉴的经验，只能不断提出想法再去验证，中间反反复复走入死胡同重新来过，直到终于发现了合适的量子热机模型和数值计算方法，进而形成了量子热机的热力学研究成果，发表于国际物理学知名期刊。”

虽然收获了美好结局，但回忆起3段博士后时光，刘俊杰印象最深的还是烦琐坎坷的理论推导和愁苦迷茫的心情。“我读到博士后期的时候才进入量子领域。刚刚经历了转换方向的痛苦就出国开展博士后研究，意味着必须加倍努力。”一面拼命工作，不敢懈怠；一面进展不顺，反复推倒重来；一面坚持着不放弃；一面为自己未来能否在高校找到教职继续科研生涯而忧心忡忡。

“那么，最终是如何克服的呢？一是从初中开始与物理的缘分让我的科研信念十分坚定。二是每每遇到难关，不管散心、谈天，还是主动跟导师、前辈沟通，我都会积极地想办法。”就这样坚持着，完成了一段马拉松式的长跑，闯过了一道道关卡，胜利的果实被授予无惧无畏的勇者。

学成回国：深化量子热机研究促进量子内存制备

刚在海外取得了代表性的成绩，刘俊杰就迫不及待地着手回国事宜。“出国时心里想的就是学成回国，所以回国对我不是一个选择，而是必然。”

在麻省理工学院，刘俊杰待了10个月。其间由于课题组的曹教授参与了麻省理工学院与新加坡政府合办的研究中心的共建，大部分时间，刘俊杰和同组人员都在新加坡度过。热带国度丰富的美食文化，藏在犄角旮旯的特色小店，成为他辛苦工作的调味剂。所以当2022年决定回国时，他首先想到了熟悉的上海，不光因为朋友、家人都在这里，也因为上海独特的城市韵味。藏在深巷的各种惊喜就像物理迷宫的密钥，极具吸引力。

通过一位学姐，刘俊杰将简历转交给上海大学，获得了后者的热情回复和邀请。2022年夏天，经上海市高层次人才计划，刘俊杰加入上海大学理学院物理系，担任教授。基于前期研究基础，刚回国，他便申请获批了国家自然科学基金青年科学基金项目、上海市科学技术委员会浦江人才计划项目。

刘俊杰的国家自然科学基金青年科学基金项目聚焦于“强耦合量子热机”的效能研究，预期通过研究环境影响下的量子效应，寻找提高能量转换过程效率的手段，促进能源的可持续发展。通过他的介绍，可以进一步了解量子热机这项研究——“为了引入量子效应，量子热机的工作介质通常由包含较少自由度的微观体系组成，这个特点使得工作介质可以与周围热库形成强耦合。介质热库强耦合既可以破坏工作介质本身的量子相干性，又可以引入新的量子效应（如介质-热库的量子关联），因此，可以预期系统热库强耦合将会极大地影响量子热机的效能。在强耦合条件下，介质热库耦合能量不可忽略，这意味着经典热力学第一定律不再适用，即我们无法仅从工作介质的内能变化来区分热和功的贡献，因此，研究强耦合量子热机的效能需要跳出已有的经典热力学框架。这一直是量子热机领域进一步发展所面临的重大挑战。”

为了应对这一挑战，刘俊杰的量子热机建模将纳入介质热库耦合对应的哈密顿量，它与工作介质、热库的哈密顿量一起构成了一个封闭体系，然后从这一封闭体系能量守恒的角度出发推导量子热力学第一定律，将自然包含介质热库强耦合能量对应的贡献。在此基础上，刘俊杰的项目将构建描述强耦合量子热机效能的普适理论，通过与弱耦合量子热机已有结果进行比较分析，揭示出介质热库强耦合对强耦合量子热机效能的影响规律，发掘出强耦合量子热机在能量转换过程中的优势。预计，此课题将为强耦合量子热机的发展提供理论方案，为更高效的量子热机设计提供具体设计思路。

刘俊杰获批的上海市科学技术委员会浦江人才计划项目是“利用耗散环境制备量子内存的理论研究”。所谓量子内存，是用于存储量子态的量子器件，在量子信息处理等领域有重要应用。对于理想的量子内存器件，其量子态存储时长不受任何限制，同时存储量子态的保真度一直是1，即量子态在存储前后没有发生任何变化。然而真实量子体系总是不可避免地与其周围耗散环境发生相互作用。对于量子内存而言，环境引入的耗散效应如量子退相干总是不利于量子纠缠态的存储，因此环境的存在会限制已有量子内存的存储时长和量子态保真度的进一步提高。

针对“如何高效地降低耗散环境对量子内存的影响？”这一问题，刘俊杰认为，既然耗散环境无法完全避免，那是否可以利用耗散环境来制备量子内存？基于这一思路，他在课题中聚焦体系-环境弱耦合的情形，借助已有微扰论方法来探索这一思路的合理性并提出新的环境作用调控方法。预计课题的研究将促进量子内存的设计与制备，为解决环境耗散问题提供一个新思路，同时将推动开放量子体系在量子因特网研究中的应用，推动多领域间的交叉研究。

刘俊杰相信，相关研究将为量子科技真正走入寻常生活，便利大众，起到推动作用。

不做“老板”：理想的师生关系是亦师亦友

为尽快推进团队目前主要的两个研究方向——量子热机和量子态相关的操控器件研究，进而形成研究特色，打响知名度，科研之外刘俊杰有条不紊地推进着招生招聘工作。“目前团队已经有1名博士生、2名硕士生，秋季开学后还会有新生前来报到。”3年内扩充至6人左右，形成导师、博士后、博士、硕士的梯队，是刘俊杰对团队发展的期许。

此外，为了尽可能发挥力量、培养人才，在本科教育方面，刘俊杰承担了两名本科生的毕业论文设计辅导工作，并作为一部分本科生的学业导师，指导学生开展基础的科研和学习任务，提升他们对科研的热情。

作为导师，刘俊杰坦言，并不希望成为一名高高在上的“老板”。“我对学生的期待就两条：一是自主的学习能力，二是出色的沟通能力。有事需要沟通，随时在社交平台上找我，在称呼上也可以直接叫我的名字。亦师亦友，这是我认为最理想的师生状态。”

“在我求学的过程中，有幸跟随多位值得尊敬的前辈学习做人做事的规矩。我至今都感激复旦大学的吴长勤教授，热输运并不是吴教授课题组的大方向，但他还是全力支持我，鼓励我追随内心，为我的后期发展提供各种建议。在新加坡国立大学期间，李保文教授和那位优秀的师兄，同样是领我入门的良师，尤其师兄耐心教授了我各项基础研究技能，令我受益终身。”刘俊杰从这些经历中，总结出自己想要传递给学生的科研精神——导师必须是亲力亲为的，必须跟学生保持良好的沟通，必须时时刻刻处于科研第一线。只有以身作则，才能带动学生，才能保持课题组的活力与前沿性。

量子世界虽然有趣，科学研究却不免艰难。科研之外，刘俊杰喜爱打篮球、阅读玄幻小说，与家人朋友一起展开美食之旅。通过这些爱好活动，他结交了许多来自不同领域的朋友，也帮助他放空大脑，进行更有益的思考。未来，无论在现实的世界，还是在那个迥异、缥缈的世界，他都期待有更多奇遇上演。

（责编：王芳）