近日，在国际顶级物理学杂志《物理评论X》上，麻省理工学院的Paola Cappellaro教授首次设计了一种新型量子器件——“量子混频器”，实现了基于同一量子器件的集成传感器和混频器感知任意频率的矢量信号场，使量子传感器具备了测量纳米尺度特征的能力，引起了业界人士的关注。
根据量子系统的相干和纠缠特性，量子传感器有望实现纳米尺度下各种信号场的超灵敏测量。然而，现有传感器的可测频率范围仍然受到传感器的谐振频率和可实现的控制场的幅度的限制。同时，往往需要牺牲空之间的分辨率来获得电磁信号的矢量信息。这些都是量子传感器进一步应用的障碍。麻省理工团队发明的新型量子器件有效解决了这些问题。这项工作的第一作者和通讯记者是王国庆，麻省理工学院四年级的博士生。
近日，光子盒子对这位量子领域的年轻研究员进行了专访。
以王国庆为第一作者的论文发表在《物理评论x》上
王国庆本科就读于北京大学物理研究所。大学期间，他去了加州大学伯克利分校、橡树岭国家实验室、里昂-布里渊研究所和劳厄-朗之万研究所。曾获“北京市优秀毕业生”、“北京大学优秀毕业生”等荣誉。2018年赴麻省理工学院攻读博士，研究方向为量子传感、控制和仿真。他现在是麻省理工学院学生组织跨学科量子信息科学与工程项目的副主席。
麻省理工学院博士生
王国庆
请简单介绍一下你的科研经历。
本科期间参加了北京大学拔尖人才计划“无名学生班”，加入了北京大学国际量子材料科学中心老师Ethan的研究小组，研究强关联、强自旋轨道耦合材料的合成和光谱探测。我们探索和制备了数千个量子材料单晶样品，用拉曼和中子光谱对其进行了系统的表征和测量，研究了非常规超导、二维磁性、自旋液体、多极序等新颖的物理现象。在“前沿物理实验”项目中，我跟随王建先生利用扫描隧道显微镜研究铁基超导体的配对机制。
2017年夏天，我去了加州大学伯克利分校，在核磁共振领域的领军人物Alex Pines教授和Ashok Ajoy博士的指导下，研究了如何利用氮空色心将磁共振信号增强105倍。此外，我还在橡树岭国家实验室、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用中子散射测量和研究了铁基超导材料中的磁激发。
2018年从北京大学毕业后，我来到麻省理工学院读博。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教授的指导下工作。目前我已在Phys. Rev.lett、Phys. Rev.X、Nanoletters等期刊上发表了多项量子传感、量子模拟和量子控制的研究成果，并已申请了一项发明专利。
量子传感方向，在非随机信号测量方面，我们首次提出了适用于纳米尺度的三维振荡磁场测量方法，提出了“量子混合器”的概念，可以整合现有的量子系统，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，我们首次提出了一种基于时域的数字噪声频谱测量方案，避免了经典的基于频域的方法所带来的系统误差。在量子模拟方向，我们首次提出了一种通用的投影测量方法来模拟和表征量子系统的对称性。利用调制驱动微波，实现了有限微波功率下强耦合条件的制备和测量，并通过实验和模拟证实了宇称对称性、粒子空空穴、双旋和三旋。
这种周期驱动方法可以推广到模拟更高维晶格结构的实验中，从而为材料的拓扑性质和对称性等关键问题提供解决方案。在量子控制方向，我们将固体物理中的核自旋的相干时间提高了一个数量级，使得量子器件的性能可以承受大范围的温度和压力波动。此外，在量子比特簇中，单个量子控制门本身的保真度也提高了一个数量级。
量子混合示意图。有效哈密顿量来自信号和偏移哈密顿量的频率混合。有效哈密顿频率ωT可以通过实验检测。用NV色心探测电子自旋共振。扫描偏场频率ωb检测信号场ωs=150 MHz。虽然ωs不在传统量子传感器的可测范围内，但在混频原理下，当有效频率ωt =ω与微波驱动的振幅ω= 3 MHz相匹配时，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才刚刚起步。我来说说我自己的粗浅认识。
近年来，量子信息在学术界和工业界备受关注，发展迅速，并取得了一系列突破。例如，在量子传感中，精确和微尺度的测量已经应用于一些材料和生物信号的传感，尤其是纳米尺度的微弱信号的测量。随着传感器工作范围和灵敏度的进一步提高，其适用场景也在不断扩大，如DNA检测、陀螺仪等。在量子计算中，虽然要实现大规模的容错量子计算还有很长的路要走，但是现有的几十到几百个量子比特的量子计算机已经可以完成一些初步的任务，比如物质新奇状态的模拟，一些复杂数学问题的求解。
在实验方面，超导、中性原子、离子阱、固体缺陷等一大批各有优缺点的量子体系，近年来都取得了不错的效果。理论上，对量子算法的研究在不断拓展和丰富，从破解加密、加快检索算法、解决优化问题到人工智能、金融工程等领域。不仅是学术界，很多软硬件公司也加入了量子科学的浪潮，涌现出了一大批初创公司。
量子科学未来的发展前景非常广阔。作为一名研究工作者，我很高兴能够见证和参与量子科学的发展和进步。
3.有哪些难忘的学习和科研经历？
在大学里，因为中子散射实验需要大量的单晶样品，所以我们经常夜以继日地生长材料和表征样品。为了在出差前准备好所有的样品，我经常在化学室呆上三四个小时，偶尔还需要半夜两三点骑车去实验室换样品。虽然我很累，但我真的很喜欢这种致力于研究的感觉。
我还记得我在橡树岭出差的时候，那正好是平安夜。美国橡树岭国家实验室很偏僻，交通也不是很方便。我和师兄住在实验中心的宾馆里。因为马上就要放假了，员工基本上都放假休息了。酒店不提供餐饮。我们每天只能靠酒店唯一的自动售货机来获得足够的食物和衣物。基本餐都是泡面。过了十多天，所有的自动售货机都被我们吃掉了空。
其次，我在麻省理工的时候，每周都有很多研讨会，邀请世界各地的教授来讲课，参观实验室。在和他们交流的过程中，总有很多思维的火花。我更喜欢参加各种科研会议，通过这些活动把自己的工作介绍给别人，了解其他相关领域的进展。当选麻省理工学生组织跨学科量子信息科学与工程项目副主席后，希望能通过自己的努力，进一步促进不同领域研究人员的交流与合作。
其他的经历，比如科研中的失败、困难、挑战，都是常态。很多时候，我在实验室里没日没夜的待了很久，期望很高，结果一无所获。但这些年的科研经历，让我的心灵更加平和，也逐渐适应了这种充满困难和挑战的生活，以及解谜的乐趣。我一直信奉“不劳而获”。如果结果不尽如人意，我会继续努力，如果有什么问题，我会一一解决。当我真正沉浸其中，进入“心流状态”时，往往会有意想不到的收获。
4.你最想感谢谁？
一路上，我遇到了很多老师，兄弟和同学以及其他给了我很大帮助的人。
非常感谢伊森先生和王健先生在我本科期间对我的研究和学习的指导。他们渊博的知识和严谨的态度对我影响很大。正是在他们的带领下，我接触到了最前沿的科学研究，开始步入量子科学的大门。
我在麻省理工的导师Paola Cappellaro为我提供了一个独立、自由、和谐的研究环境。她的指导使我能够以更广阔的视野更独立地思考和解决问题。在项目合作中，李菊教授对我的指导也加深了我对物理系统本身的理解，提高了我的认知水平。
我也非常感谢我优秀的同学和同事，他们支持并帮助我解决了很多科研中遇到的问题。通过和他们的讨论交流，我也学到了很多不同领域的知识，拓宽了自己的研究思路。
另外，非常感谢家人的支持。自从2018年到了美国，就再也没能回国。只能和父母视频聊天，感谢他们一直支持我做自己喜欢的事情。也要感谢女朋友对我的关心和支持。她就像我的“智慧之星”，帮助我变得更好。
5.学习科研之外的生活是什么样的？
在北大读书期间，我参加了很多志愿服务活动。在高等物理教育国际会议上接待美国物理教师协会的客人，在北京大学120周年校庆上接待校友和捐赠人，给我留下了深刻的印象。在业余时间，我也会演奏乐器。曾参加“十院联”才艺展示比赛，在中国化工青年论坛闭幕式上表演二胡独奏。
在博士期间，我被选为麻省理工学院研究生宿舍跨文化交流项目的负责人，组建了十多个跨文化交流小组，组织了一百多次交流活动，增进了不同文化背景的学生之间的相互了解，结交了许多好朋友。除了科研，我还会通过拉二胡，尝试做新菜，和女朋友学古诗词，聊读书心得和趣事来放松自己。
相关文献:
[1]“带有量子传感器的数字噪声光谱学”，
file/tupian/20220802/pp[3]“使用量子混合器感测任意频率场”，物理评论X 12，021061，麻省理工学院新闻
[4]“周期性驱动的量子系统中对称性保护选择规则的观察”，列特物理学评论。127，140604，麻省理工学院新闻
[5]“级联连续驱动下量子比特系综中的相干保护和衰变机制”，新物理杂志22 123045
[6]“基于金刚石中单个氮空位中心的纳米级矢量交流磁强计”，纳米列特。, 21, 5143-5150
[7]“通过级联连续驱动的量子模式控制观察高阶Mollow三重态”，物理评论A 103，022415
[8]“用量子位系综表征温度和应变变化，以实现稳健的相干保护”，arxiv:2005.02790
