段路明：高中保送中科大，29岁成最年轻博导，站在世界量子信息领域最前沿

你好，科学家

Hello Scientists

2023年，未来科学大奖以“Hello Scientists 你好科学家”为年度主题，计划陆续推出：未来科学大奖获奖者纪录片观影会、2023未来科学大奖新闻发布会、《‘未来’科学家——未来科学大奖获奖者访谈实录》第二册新书发布会、2023未来科学大奖周等系列活动。在今年的未来科学大奖周期间，我们特邀国内外几十位知名科学家参与科学峰会，值此良机，我们梳理和整理了这些杰出科学家们的成长经历、生活感悟、工作成果与贡献，希望能为大家带来一丝启迪与触动。在这个专栏中，我们也将探寻科学的真谛，期待更多青年与科学家们一同追寻科学的奥秘，领略其无穷的魅力与奇妙。愿我们沐浴在科学的光芒中，让我们共同书写属于未来的壮丽篇章。

他，曾师从于郭光灿教授，在我国量子信息领域刚发展的早期即做出有重要影响的工作；他，于29岁便入选中科院百人计划，成为中科大当时最年轻的教授；他，为了更高的学术追求远渡重洋，学成之后又毅然归国；他就是清华大学量子信息中心主任、基础科学讲席教授——段路明。

段路明自1994年读研阶段开始便一直从事量子信息领域的研究，是该方向的世界领军科学家之一。段路明等提出的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）量子中继方案和Duan-Kimble光量子计算方案，为实现可扩展量子通信和量子计算奠定了基础。他提出的通过网络互联进行规模化离子量子计算的方案，成为领域内的一个主流方向，并受邀在权威期刊《现代物理评论》撰写此方向的综述。段路明等提出的量子纠缠判据，被国际同行称为DGCZ（Duan-Giedke-Cirac-Zoller）判据，在量子信息领域大量应用并被美国院士专家编入量子专著。

段路明教授

1

段路明于1972年出生于安徽桐城，中学就读于安徽省重点高中——桐城中学。受到“桐中”严谨的学风影响，段路明在中学期间就出类拔萃，学业成绩在这所有百年传统的高中名校遥遥领先，尤其擅长物理和化学。中学期间，他曾参与化学与物理的全国奥赛和冬令营，并因此获得了中国科技大学的免试保送机会。
进入到大学的段路明又是怎样与郭光灿教授结下师生缘的呢？据实验室同事回忆，段路明是在本科二年级光学课的课堂上被郭光灿教授发现的。本科期间，段路明向来沉默寡言，绝大多数时间都用在研读高深的科技专著上。有一次课下，段路明拿着自己写的文章找到了郭教授，请他指点。郭教授看过以后发现他的论文虽略有生涩但不乏活跃的思想，他在文章中尽情表达出了他对所研究问题的思考和想法。郭教授觉得段路明是个不可多得的科研人才，便热情邀请他加入自己的课题组，参加实验室每周进行的研讨会。段路明就这样在郭光灿教授的指导下完成了硕博连读的研究生学业。
段路明读博期间，量子信息领域在国际上刚兴起，该领域引起了他强烈的兴趣，此后他一直致力于量子信息的研究。读博的几年时间，段路明在物理学的权威期刊《物理评论快报》和《物理评论》上发表多篇论文，特别是发表在1997年和1998年《物理评论快报》上的两篇论文引起国际同行广泛关注。由于他出色的科研成绩，段路明提前一年获得了博士学位，博士毕业这年他荣获“中科院院长特别奖”，而他的毕业论文也入选了“全国百篇优秀博士论文”。

段路明教授在清华大学的报告会

毕业后受郭光灿教授的感召，段路明放弃了美国洛斯阿拉莫斯国家实验室做博士后的机会和其远比当时中国高校优厚的待遇，选择继续留校任教。他与郭光灿教授合作，科研成果频出：他们率先在国际上提出了用于解决量子信息系统退相干问题的量子避错编码；后又提出一个新的研究方向——概率量子克隆，用来研究最佳量子克隆过程，后续一些论文称其为“段-郭”界限，这些工作被国际同行广泛引用并得到实验验证，成为我国早期有重要影响的量子信息工作代表。29岁这年他入选中科院百人计划，成为了当时中国科技大学破格晋升的最年轻的教授、博士生导师。

2

1998年，对我国量子信息领域早期发展起了关键作用的香山会议展开，段路明受邀在此会议上作关于量子编码的报告，并在此会上结识了一些重要同行，特别是当时在奥地利Innsbruck大学留学做量子信息研究的潘建伟。两位在量子信息研究最前沿的年轻人从此相互交流，并结下了友谊。潘建伟建议段路明去访问Innsbruck大学以拓展研究视野，Innsbruck大学是当时国际量子信息研究重镇，除了后来在2022年获诺贝尔奖的Zeilinger教授，还有在2013年获沃尔夫奖的Zoller教授和Cirac教授，理论实验方面都有杰出的领军人物，学术思想非常活跃。段路明受邀访问，和Zoller、Cirac教授合作，在此期间做出了一些量子信息领域的开创性工作，包括后来被国际同行广泛称誉为奠基性的DLCZ量子中继方案和DGCZ量子纠缠判据。
2003年，段路明担任美国密歇根大学教职，次年便获得了斯隆奖，斯隆奖是美国学术界的著名奖项，不少斯隆奖获得者后来获得诺贝尔奖等科技大奖。而这一年的段路明年仅32岁，成为同届斯隆奖获奖者中唯一一位在中国获得博士学位的人。2007年，段路明被授予密歇根大学终身教职；2009年，段路明当选为美国物理学会会士；2012年，段路明任密歇根大学费米讲席教授。在此期间他的科研成绩依旧斐然，特别是和Monroe教授的合作，在量子计算和网络方向取得系列突破，他们的合作团队成为在规模化离子量子计算方向的领导力量。

3

2005年，世界顶尖科学家、计算机科学最高奖“图灵奖”得主姚期智教授回到了祖国的怀抱，在清华大学任教。姚期智教授对理论计算机科学、现代密码学、量子计算与量子信息科学均做出过奠基性的杰出贡献。2010年，姚期智教授敏锐地察觉到世界量子信息技术发展加速，为了进一步促进中国量子信息领域的发展，姚教授推动清华建立量子信息中心，致力于量子计算机与量子网络的研究，这些研究不仅需要计算机学家，还需要熟悉量子计算机实验实现的世界领军物理学家，在量子领域声誉卓著的段路明成为了姚期智的最佳人选。
为此在2010年秋，姚期智教授专程赶往密歇根大学，与段路明就量子计算机与量子网络的未来发展规划进行了深入的探讨。段路明与姚期智教授构建了量子计算方向的科研蓝图，并受姚教授邀请一起推动清华量子信息中心的建设，成为该中心的执行主任并兼任清华大学姚期智讲座教授。段路明很快在清华大学建立了量子信息实验室，致力于规模化的量子计算与量子网络研究，2018年初，段路明辞去美国密歇根大学费米讲席教授职位，全职回到清华大学担任基础科学讲席教授。

段路明教授正式受聘成为清华大学“姚期智讲座教授”

陈吉宁校长调研清华大学段路明教授实验室

在清华量子信息中心，段路明研究组取得系列突破。2014年，段路明研究组在常温固体系统中首次实验验证了普适几何量子逻辑门及其抗噪性；2017年，段路明研究组刷新量子存储容量的国际记录，首次实现了具有225个存储单元的原子量子存储器，将量子存储器存储容量的记录提高了一个数量级；2018年，实现了25个量子接口之间的量子纠缠，将由加州理工学院保持的原先纪录提高了近6倍；同年他们结合量子多体理论和深度神经网络，首次提出量子机器学习生成算法，证明了在一些重要方向量子计算机能引起人工智能算法的指数加速；近期段路明负责国家重大研究计划中离子量子计算方向，实现了数百至上千个离子比特的稳定囚禁和超越经典超算模拟能力的基于离子比特的量子模拟，突破此方向的国际记录。

原子量子存储器阵列实验装置示意图

段路明研究组实现的上千个离子量子比特的稳定囚禁

在从事科研的这些年，段教授在物理学著名学术期刊发表论文240余篇（其中包括《物理评论快报》66篇，《自然》《科学》主刊10篇，子刊19篇），共被引用36700多次。他就像是量子世界脚踏实地耕种的农民，在量子信息这一交叉领域不断地播种，为在中国这片土地上实现量子梦而持续奋斗。
10月15日，在今年即将举办的2023未来科学大奖周科学峰会——“物质科学-量子计算”专场中，段路明教授将以《囚禁离子量子计算的扩展》（Scaling for Trapped Ion Quantum Computing）为题作主题报告，欢迎关注、观看及分享。

更多相关阅读