青年量子科研工作者专访——MIT博士生王国庆
光子盒研究院出品
在近期国际物理学顶级期刊《物理评论X》上，麻省理工学院（MIT）的Paola Cappellaro教授团队首次设计出一种新型量子器件——“量子混频器”（Quantum Mixer），实现了基于相同量子器件的集成传感器和混频器感测任意频率的矢量信号场，使量子传感器具备了测量纳米级特征的能力，引起了业内人士的关注。
根据量子体系相干性和纠缠特点，量子传感器有望实现对各种信号场（如电场和磁场）在纳米尺度的超灵敏测量。然而，现有的传感器可测频率范围仍然受到传感器谐振频率及可实现的控制场幅度的限制，同时获取电磁信号的矢量信息又往往需要牺牲其空间分辨率。这些都是量子传感器深化应用的障碍。而MIT团队发明的新型量子器件，有效地解决了这些问题。这一工作的第一作者兼通讯作者是MIT的四年级博士生王国庆。
近日，《光子盒》对这位量子领域的青年科研工作者进行了专访。
以王国庆为第一作者的论文在《物理评论X》发表
王国庆本科就读于北京大学物理学院，大学期间曾赴加州大学伯克利分校、美国橡树岭国家实验室、法国里昂-布里渊研究所和劳厄-朗之万研究所交流学习，曾获“北京市优秀毕业生”、“北京大学优秀毕业生”等荣誉。2018年赴美国麻省理工学院攻读博士学位，研究方向为量子传感、控制和模拟，现担任麻省理工学院学生组织“跨学科量子信息科学与工程项目”（iQuISE）副主席。
MIT博士生
王国庆
1. 请简单介绍一下你的科研经历
本科期间，我参加了北京大学拔尖人才计划“未名学子班”，加入北京大学国际量子材料科学中心李源老师课题组，研究强关联、强自旋轨道耦合材料的合成和谱学探测。我们探索和制备了几千片量子材料单晶样品，并通过拉曼和中子谱学方法对它们进行了系统性的表征和测量，研究了非常规超导、二维磁性、自旋液体、多极序等新奇的物理现象。我还在“前沿物理实验”项目中跟随王健老师运用扫描隧道显微镜研究了铁基超导体的配对机理。
2017年夏，我前往加州大学伯克利分校，在核磁共振领域的泰斗Alex Pines教授和Ashok Ajoy博士（现在为伯克利助理教授）的指导下研究运用氮空位（NV）色心将磁共振（NMR）信号增强了105倍。此外，我还在美国橡树岭国家实验室、法国里昂-布里渊研究所和欧洲劳厄-朗之万研究所的不同中子源和谱仪上运用中子散射手段测量研究了铁基超导材料中的磁性激发问题。
2018年北大毕业后，我来到麻省理工大学攻读博士学位。看到量子科学广阔的发展前景，我选择了基于固态量子比特的量子信息作为主要研究方向，在Paola Cappellaro教授的指导下开展工作，目前已经在Phys. Rev. Lett, Phys. Rev. X, Nano Letters等期刊发表了数篇关于量子传感、量子模拟及量子控制的研究成果，并已申请一项发明专利。
量子传感方向，在非随机信号测量方面，我们首次提出适用于纳米尺度的三维震荡磁场测量方法，提出“量子混频器”概念，可对已有的量子体系进行集成并实现频率转换，使量子传感器可以测量任意频率的信号；在随机信号测量方面，我们首次提出基于时域的数字噪声谱测量方案，避免了基于频域的经典方法产生的系统误差。量子模拟方向，我们首次提出了通用的投影测量模拟和表征量子体系对称性的方法，通过使用调制驱动的微波实现了在有限微波功率下的强耦合条件制备与测量，并通过实验和模拟证实了宇称、粒子空穴、二重、三重旋转等对称性。
这种周期性驱动的方法，可以推广应用到模拟更高维晶格结构的实验中，从而对研究材料的拓扑性质、对称性等关键问题提供解决方案。量子控制方向，我们对固体物理中核自旋的相干时间，实现了一个数量级的提升，使量子器件性能可以承受较大范围的温度和压力涨落。此外，在量子比特集群中，对于单一量子控制门本身的保真度（相干时间）也实现了一个数量级的提升。（文章链接附后）
（a）量子混频原理图。有效哈密顿量（红色）产生于信号（紫色）和偏置（绿色）哈密顿量的频率混合。有效哈密顿频率ωT可以通过实验进行探测。（b）使用NV色心探测电子自旋共振（ESR）。扫描偏置场频率ωb检测信号场ωs=(2π)150 MHz。尽管ωs不在传统量子传感器的可测范围内，在混频原理下当有效频率ωT=±(ωs−ωb)匹配到微波驱动的振幅Ω=(2π)3 MHz时，可以看到明显的共振信号。
2. 你如何看待量子科学的发展前景？
我对量子科学的学习和研究算是刚入门，就谈谈我自己的一些粗浅认识。
近几年，量子信息在学术界和工业界都备受关注，发展很快，取得了一系列突破，例如在量子传感方面，精密、微观尺度的测量已经开始应用在一些材料和生物信号的传感上，尤其是已经实现了纳米尺度下微弱信号的测量。随着传感器工作范围和灵敏度的进一步提升，其可应用的场景也在不断拓展，比如DNA检测、陀螺仪等。在量子计算方面，虽然实现大规模容错量子计算仍然任重道远，但已有的几十至几百量子比特的量子计算机已经可以完成一些初步任务，比如新奇物态的模拟、一些复杂数学问题的求解等。
实验方面，大量各有优劣的量子体系，如超导、中性原子、离子阱、固态缺陷等近几年来都取得了很好的成果。理论方面，对量子算法的研究也在不断拓展丰富，已经从研究破解加密、加速检索算法、求解最优化问题，拓展到人工智能、金融工程等领域。不仅是学术界，很多软硬件公司也纷纷投身量子科学浪潮，涌现出大量的初创公司。
量子科学未来的发展前景非常广阔，作为一名科研工作者，我很高兴能见证并参与到量子科学的发展进步中。
3. 求学和科研中有哪些难忘的经历？
大学时，因为中子散射实验需要大量的单晶样品，我们经常没日没夜地生长材料和表征样品。为了赶在出差前把样品都准备好，在化学间往往一待就是三四个小时，偶尔还需要半夜两三点骑车去实验室更换样品。虽然很累，但是我非常享受那种全身心投入研究的感觉。
我还记得在橡树岭出差的时候，那时候正好是圣诞节前夕。美国橡树岭国家实验室非常偏僻，交通不是很方便，我和师兄就住在实验中心的酒店里。因为马上过节，工作人员基本都放假休息了，酒店不提供餐食，我们每天只能靠酒店里的唯一一台自动售货机解决温饱，基本餐餐都是泡面，十几天下来，售货机都被我们吃空了。
其次就是在MIT的时候，每周都有很多研讨会，会邀请全球各地的教授来学校做报告、参访实验室。和他们交流的过程中总能碰撞出很多思维火花。我自身比较喜欢参加各种科研会议，通过这些活动向别人介绍自己的工作，同时了解其他相关领域的进展。在当选MIT学生组织“跨学科量子信息科学与工程项目”（iQuISE）副主席之后，我希望能通过我的努力进一步促进不同领域研究者的交流合作。
其他的经历比如科研中的失败、困难、挑战这些都是常态，很多时候没日没夜在实验室待了很长时间，期待值很高，结果一无所获。但是这些年的科研经历，让我的心态更加平和，逐渐适应了这种既充满困难挑战、也充满解谜乐趣的生活。千锤百炼错中悟，日积月累稳中求，我始终相信“功不唐捐”，结果不理想就继续尝试，有问题就一个个解决，当真正沉浸其中、进入“心流状态”的时候，往往会有意想不到的收获。
4. 你最想感谢的人是谁？
一路走来，我遇到的老师、师兄同门等很多人都给了我很大的帮助。
我非常感谢本科期间李源老师和王健老师对我科研学习的指导，他们渊博的学识、严谨的态度对我影响很大，也正是在他们的带领下，我接触到了最前沿的科学研究，开始进入量子科学的大门。
我在麻省理工的导师Paola Cappellaro给我提供了独立、自由、融洽的科研环境，她的指导让我能够用更开阔的视野，更加独立地思考和解决问题。在项目合作中，李巨教授对我的指导，也加深了我对物理体系本身的理解，提高了认知水平。
我也很感谢优秀的同学和同事们，他们支持和帮助我解决了很多科研中遇到的问题，在与他们的讨论交流中，我也学习到了很多不同领域的知识，拓宽了研究思路。
另外，我也非常感谢家人对我的支持。2018年到美国后，一直没能回国，平时只能通过视频和父母聊天，感谢他们一直坚定支持我做喜欢的事情。也感谢女朋友一直以来对我的关心和支持，她就像我的“智多星”，帮助我变得更好。
5. 你学习科研之外的生活是什么样的？
北大学习期间，我参加了很多志愿服务活动，印象比较深刻的是在高等物理教育国际会议上负责接待了美国物理教师学会的来宾，以及在北京大学120周年校庆时接待了校友和捐赠者。闲暇之余，我还会玩一玩乐器，曾经参加过“十院联合”风采达人秀比赛，在中国化学青年论坛闭幕晚会上表演了二胡独奏。
博士期间，我当选了MIT研究生宿舍跨文化交流项目负责人，组建了十余个跨文化交流小组，组织了百余场交流活动，增进了不同文化背景学生之间的相互了解，也认识了很多好朋友。科研之余，我也会通过拉二胡、尝试做新菜、和女朋友学习古诗、聊读书心得和趣事放松心情。
相关文献：
[1]“Digital noise spectroscopy with a quantum sensor”,
https://meetings.aps.org/Meeting/DAMOP22/Session/K07.2(2022)
[2]“First-principles Calculation of the Temperature-Dependent Spin-Transition Energies”, arxiv:2205.02791(2022)
[3]“Sensing of arbitrary frequency fields using a quantum mixer”, Phys. Rev. X 12, 021061 (2022),MIT News
[4]“Observation of symmetry-protected selection rules in periodically driven quantum systems”, Phys. Rev. Lett. 127, 140604 (2021),MIT News
[5]“Coherence protection and decay mechanism in qubit ensemble under concatenated continuous driving”, New J. Phys. 22 123045 (2020)
[6]“Nanoscale vector ac magnetometry based on a single nitrogen-vacancy center in diamond”, Nano Lett., 21, 5143-5150 (2021)
[7]“Observation of high-order Mollow triplet by quantum mode control with concatenated continuous driving”, Phys. Rev. A 103, 022415 (2021)
[8]“Characterizing temperature and strain variations with qubit ensembles for their robust coherence protection”, arxiv:2205.02790(2022)
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