何慶林：向拓撲量子計算進軍 | 「35歲以下科技創新35人」中國榜單專欄

來自專欄 DeepTech深科技

自 1999 年起，《麻省理工科技評論》每年都會推出「35歲以下創新35人」（Innovators Under 35）榜單，旨在於全球範圍內評選出被認為最有才華、最具創新精神，以及最有可能改變世界的 35 位年輕技術創新者或企業家，共分為發明家、創業家、遠見者、人文關懷者及先鋒者五類。

2017 年，該全球權威榜單正式推出中國區評選，並已公布並首屆評選結果。現在，《麻省理工科技評論》正式開設「35歲以下創新35人」中國榜單專欄，以人物報道的形式幫助中文讀者了解這些來自中國的新生代科技力量。

何慶林-先鋒者

「向拓撲量子計算進軍」

獲獎年份：2017年

獲獎時年齡：29歲

獲獎時職位：北京大學助理教授

獲獎原因：利用拓撲絕緣體為材料基礎製作拓撲量子計算元器件，發現手性馬約拉納費米子邊緣模（又稱「天使粒子」）。這項針對新型拓撲材料的研究，有望挖掘其新穎的量子效應，讓我們距離拓撲量子計算又更近了一步。

2017年7月21日凌晨，《科學》雜誌上發表了一項重大發現：自埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana）於1937年提出「馬約拉納費米子」（Majorana fermion）這一概念之後，歷經80年的探索，它終於被發現了存在的證據。而來自加州大學洛杉磯分校王康隆團隊的博士後研究員何慶林就是該實驗的設計者和課題的組織者之一。

中國古人推崇陰陽世界，認為有正必有負。而在近現代的物理學理論之中，宇宙中基本粒子的正反相對似乎也與這一概念暗暗契合。根據愛因斯坦E=mc2的質能方程，當一個粒子遇上它的反粒子時，它們就會歸於湮滅從而放出巨大的能量。

但科學無止境、真理非永恆。物理學家也一直在探索是不是所有的粒子都有與其匹配的反粒子存在？1937年，義大利理論物理學家埃托雷·馬約拉納就提出新的預測：包括質子、中子、中微子和夸克在內的粒子，其粒子本身就是其反粒子，這種粒子這也就是我們今天所稱的馬約拉納費米子。

與有些科學理論不同的是，馬約拉納費米子的概念對於人類建造穩定、強大的拓撲量子計算機具有積極意義。這是因為馬約拉納費米子只相當於半個傳統粒子，在並行的量子世界中，一個量子比特能夠存儲在兩個相距十分遙遠的馬約拉納費米子上。如此一來，傳統的微弱環境雜訊引起退相干毀掉量子比特存儲信息的狀況就得以極大的緩解，遠超現有大型計算機的拓撲量子計算將成為可能。

圖 | 何慶林

何慶林於2018年入選國家「青年千人計劃」，同年入職北京大學物理學院量子材料科學中心任博士生導師、研究員，開始全職建立實驗室和研究組，主要研究以馬約拉納費米子為基礎的量子計算和新型拓撲磁電材料等方向。

從小在農村的生長環境培養了何慶林對大自然濃厚的興趣，而進入學校後所獲得科學知識則更加堅固了他探索這一世界的願景，也奠定了他走上了實驗物理的研究道路。

本科畢業之後，何慶林前往香港科技大學攻讀博士學位。在那裡，他的導師蘇蔭強教授對他影響深遠，蘇老師親自動手和學生一起做實驗，手把手教何慶林很多做科研的技巧和手段，可以說，蘇老師對待科研嚴謹、勤奮、求實的態度塑造了何慶林做科研的風格。

2015年在香港科技大學取得博士學位後，何慶林又赴加州大學洛杉磯分校的王康隆教授組開展博士後研究工作。他開始帶領一個研究團隊，對拓撲材料和拓撲量子計算領域尋求突破和創新。以此次入選TR 35的項目來看，他們的首要目標是對馬約拉納費米子實現人為的操作，通過研究新型拓撲材料，挖掘其新穎的量子效應，並將其用於拓撲量子計算上，製備出拓撲量子計算機的原型機。

何慶林說，「創新對我而言，就是大膽要做別人沒有做過的，同時自己要對這個新方向有一定的把握，才下手去做。例如，目前世界上做拓撲量子計算的研究一般都是利用III-V族材料為基礎的半導體電子器件，而我是利用拓撲絕緣體為材料基礎製作拓撲量子計算元器件；前者主要研究馬約拉納費米子的束縛態，維度上是零維的，而我研究馬約拉納費米子的邊緣態，維度上是一維的。我的創新在於敢做別人沒有做的方向。但創新對我而言，並不是完完全全做獨立的工作，必須要考慮到自身已有的條件和團隊的特點，站在這一考慮上做創新，才有取勝的把握。」

2016年的諾貝爾物理學獎就是表彰科學家在物質的拓撲相和拓撲相變理論的傑出貢獻的。而何慶林的工作是研究新型拓撲材料，挖掘其新穎的量子效應，並將其用於拓撲量子計算上。如果能實現拓撲量子計算機的原型機，必將是劃時代的工作，因為拓撲量子計算機強大的計算能力將大大超越傳統電子計算機，特別是在這個大數據和海量信息的時代，能為各個行業領域的發展帶來革命性的影響。

對於未來，何慶林坦言，「下一步我們將會對馬約拉納費米子進行人為的干涉和操縱，例如合併、編辮和糾纏，實現拓撲量子計算的邏輯門，這是拓撲量子計算的重中之重，努力做出拓撲量子計算機的原型機。我認為回報社會的最好的方式，也是我做科研的最終目標，就是探索這個世界的未知。」

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