《科学大家》|张首晟：从量子计算纠错到AI预言新材料

红英 · 发表于: 2018-1-11 21:35:00

出品：△科技栏目《科学大家》
专访 | 张首晟美国斯坦福大学终身教授、美国科学院院士、中科院外籍院士 2017年度中华人民共和国国际科学技术合作奖获得者

　　“国内近些年在量子计算方面取得了长足的发展，一些科学家也取得了很好的科研成果，还需要更多从0到1这样一个原创的过程。”1月8日，美国斯坦福大学终身教授、美国科学院院士、中科院外籍院士张首晟，在获得2017年度中华人民共和国国际科学技术合作奖获之后接受△科技栏目采访时说。
　　作为凝聚态理论物理领域杰出的科学家之一，张首晟多年来积极参与中国科研机构的合作，他积极参与和中国科研院所的合作，直接促成中国在量子反常霍尔效应、拓扑绝缘体以及新近的外尔半金属等领域的国际领先地位，为我国相关科研领域和国际前沿研究之间架起一座桥梁。

与中国合作：发挥桥梁作用达到双赢
　　中国近年来非常重视海外人才的引进，大批学者通过“千人计划”等人才项目建立了与中国科研机构的合作，或归国拥有国内高校的教授身份。2009年，张首晟入选“千人计划”，并被清华大学特聘为教授，在杨振宁先生创办的高等研究院工作。“中国对科学越来越重视，GDP相当大的比重都投入到科学领域，科学家也越来越被尊重，而且中国的教育根基非常好。”在清华做研究时，张首晟遇到了很多理论物理基础研究扎实的学生，这让他非常欣喜，“我希望自己能把桥梁作用发挥好，培养出更多人才，为中国科学进一步发展贡献自己的力量。”
　　多年与国内的合作十分成功，在清华工作期间，张首晟理论预言了量子反常霍尔效应的实现方案，与薛其坤等合作，首次在实验上发现量子反常霍尔效应。另外，张首晟通过与中科院物理所合作，认证Bi2Se3，Bi2Te3，Sb2Te3掺入3d磁性元素是实现磁性拓扑绝缘体的最佳方案，并通过理论计算确认这是实现量子反常霍尔效应的理想材料。
　　2017年7月，张首晟与其他几位华人科学家宣布发现“天使粒子”，这是继“上帝”粒子、中微子、引力子之后量子物理的又一里程碑发现。张首晟透露，团队正在验证使用“天使粒子”做量子计算的设想，目前正在做拓扑量子计算方面的研究，“国际上目前最前沿的研究是量子计算纠错，希望利用拓扑量子计算原理后，每一个量子比特都不会犯错，能够独自运行。如果实现的话，量子计算将带来革命性突破，未来也将致力于与中国科研机构合作改变量子计算的拓展局限性。目前已在斯坦福大学成立了拓扑量子物理中心，未来希望能在国内合作建立实验中心，让科学理论设想能够得到先进仪器的验证。”
　　据张首晟介绍，如果实验中心建成的话，实验设计部分将在斯坦福大学完成，实验验证部分会在国内进行，最终的成果共享，实现共赢。

开启新方向：人工智能预言新材料
　　人类每一个重大的历史时期都会用材料来命名，比如旧石器时代，新石器时代，青铜器时代等，说明材料对人类的发展起到很大作用，但以往的材料都是在偶然机会下才发现的，而像拓扑绝缘体材料确实在理论上预言的。张首晟团队目前正在研究一个非常新的方向：利用人工智能来预言新材料，包括无机材料、有机材料，甚至是一些小分子药物材料，希望能给精准医疗带来长足的发展，从而实现对人类疾病的精准治疗和有效预警。张首晟称目前这些研究正在斯坦福大学开展，以后会考虑与国内合作。

身兼多职：风险投资人
　　除了理论物理学家，张首晟另一个广为人知的身份是风险投资人。
　　张首晟介绍说，之前在斯坦福大学有过投资成功的经验，加上被中国的“双创”计划所吸引，2013年9月，张首晟与自己的学生谷安佳一起，创立了丹华资本。“丹”取之于斯坦福Stanford，“华”取之于中华，丹华的理念是把科学前沿和投资联系起来，搭建中国与美国交流的桥梁。丹华目前很多投资都投在了前沿科技例如人工智能方向。

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　　回顾起自己的人生经历，张首晟觉得自己非常幸运。15岁跳级考入复旦大学物理系，大二时被国家选派到德国留学，经过多年努力如愿以偿成为了杨振宁先生的弟子。张首晟说，对于国家授予他这个奖，他心中充满了感激之情，庄严的国徽奖章激励着他为中美科技进步做出更大贡献。
　　在采访结束时，张首晟笑称，自己现在54岁，感觉人生才刚刚开始，他要把自己一生的精力都贡献给中国的科技发展。（郭祎河雨）

采访实录
　　问：为什么会颁给您国际科学技术合作这个奖？
　　答：量子反常霍尔效应、拓扑绝缘体的发现，使得中国科学工作者做的工作走到了全世界的前沿。十九大报告中提到了我们要有战略性眼光，在偌大的科研领域中怎么去找到好的课题，这就需要一个很好眼光。我现在对中国也非常关注，一是“千人计划”之后，像我这样的科学家能把前沿的科学和研究课题带到中国，二是我教的学生也开始来到中国做“青年千人计划”，他们可以扎根在中国做科学研究，因此我觉得中国的科学研究会继续推进，会走向国际的前沿。
　　问：您怎么看待中国和国外在量子计算研究方面的差距，您后续和中国有哪些合作计划？
　　答：国内近些年在量子计算方面取得了长足的发展，一些科学家也取得了很好的科研成果，还需要更多从0到1这样一个原创的过程。我觉的传统的量子计算机的规划必然会受到一个拓展性的局限，在量子计算机研究过程中，一个量子比特，就需要十到二十个纠错量子比特来为这个量子比特服务，这样必然会导致其不可拓展。
　　2017年7月份，我们宣布发现了“天使粒子”，会给整个量子计算带来一个0到1的创新，这项发现对量子计算机会有很大的推动。我们和其他科学家合作，已经在拓扑绝缘体方面取得比较好的成就，我也希望以后能和国内的科学家合作，能够把这条路一直走下去。
　　我未来和中国的合作方向就是致力于改变量子计算的可拓展性局限性，希望利用拓扑量子计算原理之后，一个量子比特就不会犯错，能够独自运行。这样就可以给量子计算带来革命性突破。我最近在美国斯坦福大学成立的拓扑量子物理中心，我们也希望能够和中国的科研机构合作建立实验中心，这样我们一些想法就可以在中国尝试。
　　问：现在国内对量子计算、量子通信挺重视的，像阿里很多企业开始成立量子通信研究实验室，您对此怎么看？
　　答：总的来说，量子计算是一个比较基础性的研究，但是谷歌、微软、IBM都在做，所以说量子研究确实是一个战略制高点。中国目前有很多优秀的学生，现在国内在科学仪器上也做了很大投入，作为理论科学家，我需要很多科研仪器的配合来验证设想，使得我们的一些设想能够很快通过实验验证。最近我们提出用“天使粒子”来做量子计算的一些设想，已经取得一些决定性的成果。
　　问：除了量子计算之外，还有其他方向的合作吗？
　　答：我们最近做个一个非常新的方向，就是利用人工智能来预言新的材料，拓扑绝缘体这个材料的发现在人类历史上也是史无前例的，过去材料的发现往往是在实验室里面偶然发现的，但是拓扑绝缘体材料是我们在理论上预言的。人类每一个重大的历史时期都是用材料来命名的，比如旧石器时代，新石器时代，青铜器时代，铁器时代硅片时代，材料对人类的发展起到很大的作用，但过去的材料都是在偶然的机会下才发现的。
　　但拓扑绝缘体的发现改变了这种状况，我们可以利用理论来指导，去发现对人类有用的材料。接下来我们想更进一步，利用人工智能机器学习的办法，来预言新的材料，一旦做成的话，这样我们不但可以做一些无机材料，还可以预言一些有机材料，甚至一些小分子药物材料，用它来做精准医疗。目前这些是在斯坦福大学开展的，以后我会考虑和中国合作开展，我觉得国家颁发给我这个国际科学技术合作奖，代表着中国走向国际化，我想把桥梁工作做好，更好地为中国服务。
　　问：您感觉中国对科学重视的氛围怎么样？
　　答：我在斯坦福大学的绝大多数学生都是来自中国名校，2009年我来清华大学做特聘教授？？时，遇到几位非常优秀的学生，在整个科研工作中，理论物理是非常需要功底的。所以我觉得中国的教育根基非常好的。现在中国对科学越来越重视，一方面是GDP的相当大的比重都投入到科学领域了，二是现在国家非常尊重科学家，现在是中国最关注科学的时刻，所以我也感觉到责任重大，希望自己能把桥梁作用发挥好，尤其中国目前最需要的部分：在那么多可以选择的科研方向中，到底选择哪一个能够带来重大突破，给人类创造新的知识，能够真正造福人类。
　　问：您现在成立了丹华资本是基于哪方面的考虑？
　　答：我成立了丹华也是为了配合国家的“双创”计划，国家的“双创”最需要的就是产学研，丹华的理念就是产学研构成三角形，一是把科学前沿和投资联系起来，二是搭建中国和美国桥梁，2009年为了响应“千人计划”我回到了中国，把前沿的研究方向带到中国。要做前沿科技的创新，并早日把前沿科技的创新转化为造福人类的产品，这样我就需要产学研三者结合，斯坦福大学在这方面做的很成功，我在斯坦福大学做教授的时候就投资过。丹华目前很多投资都投在了前沿科技。
　　问：目前您实验室正在做哪方面研究？您觉得国际上最前沿的研究时什么？
　　答：我觉得目前国际上最前沿的是量子计算纠错。我现在正在做拓扑量子计算，近期可能会有一些成果发布。

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