今年初，朱子杰结束了在瑞士ETH八年的学习与研究，回到上海。30岁，他来到复旦大学物理楼，开启独立主持实验室的新阶段。
30岁，复旦大学物理学系助理教授、相辉研究院相辉青年学者。本科毕业于北京大学物理学院，在苏黎世联邦理工学院获得硕士和博士学位，并完成博士后研究。以第一作者身份在Science、Nature、Nature Physics、Physical Review X等顶级期刊发表多篇论文。

 

图1 朱子杰在实验室前

回望一路走来的科研之路，有主动做出的选择，也有偶然落下的伏笔：童年时一本科普读物埋下的种子、大二主动走进北大量子电子学研究所、在ETH“游历”多个方向后重新回到超冷原子领域；一面没擦干净的镜子，让他偶然看到了一篇 Science 的起点；本科时一次平常的调研，也在多年后意外成为打开新方向的钥匙。
那些当时看似无关紧要的瞬间，后来都成了路的一部分。

而他自己说，运气总是留给有准备的人。

 

 

一、把原子“冻住”，看见量子世界

麓邦：朱老师，您目前的研究主要是什么方向？

朱子杰：我目前主要的研究，是基于冷原子和超冷原子的量子模拟和量子计算。本科的时候我在北大电子学研究所就开始做相关研究，那个时候做的是玻色-爱因斯坦凝聚体，把它装载到光学晶格之中，之后的研究也很大程度上一直延续这个方向。

 

图2 朱子杰技术路线

麓邦：“超冷原子”的概念如何理解？它到底有多“冷”、温度是多少度？

朱子杰：冷原子其实就是运动速度比较慢的原子，因为冷和热在物理学上描述的就是物质微观运动的动能。超冷原子就是运动速度更慢，对应的温度更低，能够达到微开甚至纳开这样子的量级（1微开就是绝对零度以上百万分之一摄氏度）。

为什么要把它冷却下来？因为原子的速度和它的量子性质有紧密的关联。量子力学里有一个德布罗意物质波理论，说万物皆可用波来描述，波长反比于动量，也就是反比于速度。速度越小，波长就越大，量子特性就越展现出来。如果我们把原子一直减速，让它的波长尺寸和原子之间的典型距离在同一个量级，就可以产生出简并气体——玻色子会形成玻色-爱因斯坦凝聚态，费米子会形成简并费米气体。

麓邦：用冷原子来研究，具体是做什么？它能模拟什么？

朱子杰：之所以要研究这个，因为在宏观世界中有很多物态也遵循了类似的原理。随便找一块金属，里面的电子其实就是遵循了这样子的量子统计和量子力学的规律。但原子比电子更好观察和操控，所以用冷原子来研究真实固体中电子的行为，是我们做量子模拟的一个基本思路。

把原子冷却下来之后，我们还需要把它固定住。用来固定原子的工具就是“光晶格”——利用光的干涉形成的驻波场，形成一个周期性的原子阵列。“光晶格”一个很大的未来潜在的优势就是对于能量非常节约，能够以比较小的能量囚禁一个非常庞大数量的原子，这也是未来量子计算发展的一个很重要的备选方案。

麓邦：在实验室里，这些原子被排列之后，是什么样的画面？

朱子杰：在实验室里，你通常看到的不是原子本身——原子太小了，肉眼根本看不见，能看到的是荧光。用激光照射这些原子，原子吸收光子后会再发射出来，我们用高灵敏度相机去捕捉这些荧光信号。所以在电脑屏幕上，你会看到一个个发光的亮点。每一个亮点，就是一个原子。

麓邦：在这个过程中，最难控制的是哪些部分？

朱子杰：每一部分都重要，但各有各的难点。

传统的第一阶段——原子的囚禁和冷却，已经发展了很多年，技术相对成熟。但如果想加快整个流程，比如不做蒸发冷却、直接用纯激光冷却把原子冷却到基态，就需要开发更好更新的冷却技术，这就不简单了。

到了原子操控的层面，比如说用光镊在光晶格里拖拽原子，要在拖拽过程中保持原子的相干性，不能破坏它的内态，这个也不简单。再比如做原子之间的量子门——高保真度地把原子激发到里德堡态上，对操作的精度要求非常高。

 

图3 麓邦专访现场

冷原子实验就是这样，所有东西都极度敏感。之前我们某次实验，一台显示器释放出微弱的电磁干扰，原子信号在五分钟内就消失殆尽，整个团队排查了一个月，才发现“元凶”竟然是那台看上去一切正常的显示器。

所以后面这些这几年才发展起来的技术，还有很多可以提升和打磨的空间。

 

二、从北大到ETH：选择与意外的交织

麓邦：您当时是怎么对冷原子产生兴趣的？

朱子杰：我在大二的时候学热力学与统计物理，接触到了玻色-爱因斯坦凝聚、费米气体这些概念，觉得比较有意思，也很感兴趣。然后我就去了解北大有哪些实验室在做这方面的研究，发现了量子电子学研究所，所以就去他们实验室进行科研实习。我本科期间一直在这个实验室，学到了很多东西。

麓邦：您在ETH接触了量子信息处理、离子阱、量子光学等好几个方向，为什么最后还是回到了超冷原子？

朱子杰：首先要聊到我选择去欧洲读硕士的原因。我认为读博是非常长期的事情，未来四五年甚至之后的学术发展都和这个绑定，所以想确定一下自己对其他方向是不是更感兴趣。抱着这样的想法去了瑞士联邦理工，希望更系统地探索物理的不同方向。

ETH的Tilman Esslinger教授组是量子模拟领域的开山鼻祖之一，我在北大的时候就听说过他们。另一方面，量子信息处理也是我很感兴趣的领域。当时几个主要的技术路线：离子阱、超导、原子，一一比较下来，我觉得原子这个方向在未来有很大的发展前景，加上自己又有做原子的经验，所以回到超冷原子领域是顺理成章的。

麓邦：我们读到您那篇Science论文的源头，是隔壁实验室“镜子没擦干净”。能讲讲这个故事吗？

 

图4 科研论文节选

朱子杰：隔壁实验室在做实验的时候，有一面反射镜可能没有处理干净，反射光的功率稍微弱了一点，结果他们发现原子不知道为什么开始移动。他们仔细研究发现，背后涉及的是拓扑泵浦的机制，发了一篇Nature。

后来我们更仔细地去研究这个过程，把它在数学上做了更简化的提炼，在我们平台上用一种更干净、更简洁的方式去实现。首先我们能够看到量子化的移动，同时还可以受控地去添加相互作用，来研究相互作用对这个过程的影响。所以我们做的是首次能够研究具有可调相互作用的拓扑泵浦，并系统性地阐明了相互作用对拓扑输运过程的影响。这项工作发表在 Nature Physics上。

那篇Nature Physics是整个系列研究的源头。在此基础上，我们后续又用冷原子平台首次研究了有相互作用的拓扑边缘态，发了一篇Science；之后又实现了原子的相干传输和新型量子门，分别对应PRX和Nature的工作。而这一系列工作的核心，正是原子在拓扑边界处的“反转”现象。

 

图5 科研论文节选

麓邦：这个“反转”本身，在当时的拓扑物理领域意味着什么？

朱子杰：当时我们详细调研和学习了各种拓扑相关的概念：量子霍尔效应、反常量子霍尔效应、分数量子霍尔效应等等。所以实验看到原子在边缘态有个反转的时候，我很快把它和拓扑边缘态联系起来了。

如果你只是说“我把一个小球扔到墙上它会弹回来”，这没什么奇怪的。但如果你说这个反映的是拓扑边缘态的一个很重要的量子特性，甚至是一个决定性特性的直接展示，那就不一样了。所以为什么这个工作能发表在Science上，在于我们对同一个现象的理解深度不同。

麓邦：您还看到了粒子之间存在排斥相互作用时，系统出现了“额外反转”。这个是怎么发现的？

朱子杰：这是理论和实验的一个很好的结合。我们首先在理论上预言，在有相互作用的系统中会出现新的拓扑区域，涌现出新的拓扑边界，应该能在新的边界上观察到类似的反射现象。我们在实验中确实观察到了——而且不单是反射，而是一个分裂的现象：一对纠缠的原子对在拓扑边界处被分离了。

这个工作成了后面关于量子计算工作的种子。因为纠缠分发是量子信息处理里很重要的概念，而这个分裂过程本质上就是纠缠分发。

 

三、“运气”与“准备”：一枚硬币的两面

麓邦：这两个发现，一个来自隔壁实验室的“意外”，一个来自本科时的调研。在您看来，科研中的“运气”和“准备”是什么关系？

朱子杰：这两个我认为是合在一起的。其实就是那句话：运气是留给有准备的人——你的准备是平常在各个方向的积累，不一定冲着某个目标。

比如说，如果我在本科的时候说我要做中性原子量子计算，我是不会去学任何和拓扑有关的知识的，因为中性原子量子计算和拓扑几乎没有什么关系。但如果没有去做拓扑的事情，后面所有东西——PRX的拓扑输运、Nature上那篇基于拓扑输运过程中原子相遇的新型量子门，都不可能会有。

所以你要有很好的准备，在各个方向都有涉猎，有更广泛的了解。然后“灵光一闪”这个事情，不见得是你能控制的，但你能控制的是，那个“灵光”跑出来的时候，你能抓住它。

 

图6 麓邦专访现场

麓邦：您平时保持知识储备的习惯是什么？

朱子杰：就是多看，多看一些不同的文献，或者公众号之类的。学生时期有机会学各种各样的课程，工作之后学习能力在慢慢下降，就要尽量让自己保持一个开放的态度。虽然我们现在做原子，但我会去了解超导的人在做什么，凝聚态的人在做什么，甚至一些其他的工业领域，可能都有可以交叉的地方。

所以我给年轻学生的建议是：还是要好好上课，趁年轻多学一些不同的东西。物理是一个太大的范围，每个人只能探索其中一小部分，但它又是一个彼此交织的非常复杂的网络，你能覆盖越多的东西，就能连通越多的概念。找到概念之间的联系，是科学里很重要的一部分。

麓邦：拓扑物态为什么值得花这么多年去研究？它的魅力在哪里？

朱子杰：有两个方面。一个是拓扑边缘态具有非常弱的电阻甚至无电阻的特性，或者低耗散的特性，可以用来开发低功耗的器件，对开发新的芯片是有帮助的。

另一个是拓扑量子计算。拓扑保护意味着对外部噪声具有鲁棒性——拓扑是一个全局的性质，不是局部的。就像甜甜圈和一个茶杯，在拓扑上是同类的，因为它们都有一个洞，但和篮球就不一样。如果把量子信息编码在“有没有洞”这样的概念上，它就不再受局部扰动的影响。

而量子计算很大的一个挑战就是量子体系太脆弱了，很容易受到环境噪声的干扰。如果能有基于拓扑保护的量子计算机制，不管是量子比特还是门操作，都能大幅提升效能。

麓邦：在超冷原子量子模拟与量子计算这个领域，中国目前在全球处于什么位置？

朱子杰：我觉得在光量子方面国内是相对领先的，在超导方面是交替领先的状态，在原子方面也非常接近。整体发展势头非常好。尤其是在中性原子方向，没有什么“卡脖子”的问题——不是说这个领域没有技术瓶颈，而是这个瓶颈不会依赖于别人。

 

四、光路与前路：实验硬件与科研选择

麓邦：从ETH到复旦，您已经从参与搭建实验平台走到了独立搭建实验室。现在自己从头开始搭建平台，最核心的硬件需求是什么？

朱子杰：超冷原子本质上就两个东西，原子和光。原子相关的就是一套超高真空系统，把外界环境隔绝起来。但更复杂的是光的部分，从冷却到囚禁到量子门到读取，所有的操作都是由光来完成的。

激光器是最核心的部件，其次是所有光学器件——镜架、镜子、棱镜、偏振分光棱镜、光纤等等。所以你会发现，如果走进一个冷原子实验室，大概率看到的是学生在调镜子、调光路。

麓邦：您对国产光学元件的性能和未来发展有什么期待？

朱子杰：中国的光学元件发展还是很好的。如果说有什么期待的话，从长期发展方向来说，希望是小型化、集成化。现在大家还是有个接杆，上面放一个光机。未来可能就是接杆都不要了，东西直接拧在面包板上，甚至面包板都没有了。最后可能变成一个纯集成化的东西，不再有可调的机械部分。而且东西小，稳定性也会因此提升。光程短了，晃动产生的误差小，空气扰动带来的相位差异也小。所以体积小了，性能反而会提升。

麓邦：对于那些处于迷茫阶段的年轻学生，您有什么建议？如何判断一个领域是否适合自己？

朱子杰：首先看自己做得顺不顺手。如果做得比较顺，要么是你擅长这个事情，要么是这个阶段确实有比较好的产出机会。这两个都很重要。

更广泛地说，还是要保持一个开放的心态，给自己多一些机会、多一些道路，不要主动或被动地把自己的未来收得太窄。多去接触不同领域的东西——因为你不知道什么时候的积累会帮到后面的研究。未来一定会奖励那些保持长期学习态度的人。

 

写在最后

一面没擦干净的镜子，让朱子杰看到了那篇Science的起点。而他能抓住这个“意外”，不是运气本身，而是因为在此之前，已经做了足够的准备。

“物理就像一个彼此交织的网络，你能覆盖越多的东西，就能连通越多的概念。”这是朱子杰的科研之道，也是他给所有年轻研究者的提醒。那些看似不相关的积累，总会在某个时刻连接在一起，变成新的可能。