上过《奇葩说》的量子物理学家，回国从零建实验室｜对话人大郭彦良

郭彦良发表在《Science》上的那项工作，最初只是一组被扔进电脑回收站的数据。

2022 年 8 月，他和一名博士生临时决定尝试一项实验。一个小时后，屏幕上出现了一些不符合预期的结果。博士生认为没有意义，随手删掉了数据；郭彦良却觉得异常本身值得追问，又把它从回收站里找了回来。

经过后续实验、对照验证和理论计算，这组数据最终指向一种此前尚未在实验中得到确认的现象：多体动力学局域化。

通常，一个量子系统如果持续受到外界驱动，粒子之间又存在强相互作用，就会不断吸收能量，逐渐走向热平衡。郭彦良和合作者观察到的结果却不同：系统在持续驱动下进入一个相对稳定的平台，不再明显吸收能量，部分量子关联也没有像预期那样被破坏。

另一项发表在《Nature》上的研究同样超出了经典直觉。他们从玻色子出发，利用自旋杂质、自旋—电荷分离和强相互作用，在一维量子气体中构造出交换相位可以连续调节的任意子关联。过去主要与二维世界联系在一起的特殊粒子统计，由此可以在人工构建的一维系统中被主动实现和操控。

这两项成果，一项研究量子关联如何在持续扰动中保存下来，另一项研究怎样主动构造新的关联。它们后来逐渐汇入郭彦良对自己研究主线的概括：量子关联如何形成、如何被破坏，又如何被重新构造。

访谈前一天，郭彦良刚刚入选新一届 TR35 中国区名单。这个节点对他而言带有明显的过渡意味。就在不久前，他结束了十三四年的欧洲学习与研究经历，正式加入中国人民大学。此前的代表性成果来自已经成熟运行的实验平台；回国之后，他要面对的却是另一种现实：寻找场地、装修实验室、购买设备、申请经费、招募学生，从头建立一套能够持续运行的研究系统。

与量子科技通常给人的精密、复杂和严肃印象相比，郭彦良本人显得随和得多。他语气平和，说话不疾不徐。很少急于给出一个宏大的结论。遇到抽象概念，他习惯先寻找一个生活中的对应物：三维量子气体被切成二维和一维，像土豆被切成土豆片和土豆条；持续受到驱动的系统，像一块不断被锤子敲击的冰；粒子在不同维度中的交换路径，则可以用一根皮筋来演示。

他的回答也经常从一个问题发散到另一个问题：从量子热化谈到宏观热力学，从任意子谈到科学发现与技术应用之间的距离，从修理实验装置谈到建立团队，再从建立实验室谈到创业和资本。它们看似分散，实际都指向同一种工作方式——先从一个异常现象或者简单问题出发，不断追问它背后的条件、边界和机制。

这次对话从两项代表性成果开始，也超出了论文所能覆盖的范围。我们谈到他为何选择一个最难建立直觉的研究方向，一组异常数据怎样从回收站里被重新找回，一维量子系统如何呈现新的粒子统计，也谈到他为什么回国、如何从零建立实验室，以及当基础研究逐渐靠近工程与资本时，一名科学家愿意承担什么，又暂时不愿意承诺什么。

以下为经编辑整理的对话全文。

一次恰逢其时的入选

DeepTech：首先恭喜你入选了本年度的 TR35 中国，你最近刚刚回国，实验室也还在建设之中，这项荣誉在这个时间点到来，你有什么感受？

郭彦良：刚知道的时候，感觉很多事情同时涌过来，有一点“乱花渐欲迷人眼”。

我回国入职不久，是通过国家级海外人才项目回来的。此前我在欧洲待了十三四年。回来以后，很多事情都在迭代更新：要看实验室的位置，要申请资金，要建实验室，还要建立自己的团队。对我来说，这是一次很大的身份转变。

刚好在这个时间点拿到 TR35，我会觉得，它也像是在欢迎我回国。它是对我之前工作的肯定，同时也可能对以后招学生、争取资源和建立团队有所帮助。

DeepTech：从入选理由来看，你认为这次评选主要关注了你哪些工作？

郭彦良：第一项是发表在《Science》上的多体动力学局域化。我们看到，在系统持续受到驱动、粒子之间又有很强相互作用的情况下，系统仍然可以保留相关性，并呈现出多体动力学局域化。

我觉得它是一项具有开创性的成果，但更像是打开了一扇门，后面还有很多问题可以做。

第二项是发表在《Nature》上的一维任意子化。原本的粒子是玻色子，但我们通过一种方式，让它的关联可以从玻色子连续变到任意子，再变到费米子。这是基础研究上的一个突破。

任意子经常被与拓扑量子计算联系起来，但我必须承认，我们的工作离真正的拓扑量子计算还非常远。我们实现的是阿贝尔任意子关联，而拓扑量子计算通常需要非阿贝尔任意子。

从好奇心驱动的发现，到利用现象总结规律，再到利用规律创造技术，最后变成可以落地的应用，中间有一条非常长、非常难的链条。但如果连第一步的现象都没有发现，后面也就无从谈起。

因为无法想象，所以选择量子

DeepTech：如果要概括你过去的研究，很多工作都与强相互作用、低维量子系统有关。这条研究路线最初是怎样形成的？

郭彦良：我在大四时其实也很迷茫。

我本科前两年在武汉大学，后来去了法国里昂第一大学。到法国本科最后一年，力、热、声、光、电、量子、高能物理等不同方向都摆在我面前，但我没有经历过完整的科研训练，也不知道自己到底喜欢什么。

我觉得很多人容易被困在已有的经验里，每个人都可能成为自身经验的囚徒。本科时，如果一所学校没有提供量子物理或量子实验的环境，学生可能根本没有见过它，也就很难说自己喜不喜欢。

所以本科阶段很重要的一点，是培养思考、自学和动手的能力，同时尽量去看看经验之外的世界。

当时我想，那就先去一所好学校，至少即使后悔了，也还有转换的空间，所以我去了巴黎综合理工学院。

我选择量子，一个重要原因是它当时是我唯一很难建立起图像的物理领域。

经典力学中，一瓶水松手会掉下去，小球碰到墙会反弹，我都能在脑中建立画面。但量子对我来说更像应用版的线性代数，我却找不到它对应的物理图像。正因为不明白，我才更想走进去看看。

在巴黎综合理工学院，阿兰·阿斯佩和安托万·布罗瓦耶都给我上过课。阿斯佩后来获得了 2022 年诺贝尔物理学奖；布罗瓦耶是中性原子量子技术的先驱之一，后来也参与创办了 Pasqal。他们让我接触到量子光学和超冷原子。

我最初其实已经与一个研究安德森局域化的实验组谈好了，但后来因为资助主要面向法国学生，这个机会临时没有了。那时候已经是一月，我要么空档一年，要么马上联系其他实验组。

我当天下午没有去上课，坐在楼梯上想了想，然后我决定给 Hélène Perrin 教授打电话，把自己的情况告诉她，然后马上出发去她所在的实验室。

当时组里有四位老师，我是唯一的博士生，所以得到了非常多的指导。遇到不同问题，可以找不同的老师。那段时间的训练对我影响很大。

我博士期间一直在做超冷原子，研究气泡阱中的超流和巨量子涡旋等问题。我们在那个实验台上做出了实验组的第一篇《Physical Review Letters》论文，也算是赶上了好时候。

我博士答辩时说，自己做了三种不同的 ring，也就是环，然后还有第四个 ring（戒指）——我用它求婚了。（笑）

DeepTech：很浪漫。

郭彦良：博士毕业后，如果留在原来的实验组，因为前期已经有很多积累，继续做下去可能会比较顺。但我的老师坚持让我离开法国，到外面、到更多元的团队去看。

我后来申请了英国、德国和奥地利的几个实验组，最后去了因斯布鲁克。回头看，我当时认为最好的选择不一定真是最好的。很多没有如愿的事，长远看反而给了我更适合的路。

DeepTech：到因斯布鲁克之后，一维量子多体系统是您主动选择的新方向，还是原有实验平台已经形成的方向？

郭彦良：那个系统之前已经做过很多一维方向的研究，也有过很好的工作。但从 2016 年到 2024 年，这个实验台有很长一段时间没有产出，主要原因是系统出现了问题。

我在 2020 年底、2021 年初加入时，首先要处理这些问题，修复系统，然后才能继续研究科学。

冷原子装置不像买回来就能一直开的汽车，很多时间其实都在“修车”。真正开车出去的时间反而没有那么多。

普通汽车的后视镜有一点问题，可能还能继续开。但精密实验中，只要某一块镜子有问题，整个实验就可能做不了。处理这些问题的过程，也锻炼了我很多不同的能力。

到因斯布鲁克以后，我也开始从博士生转变为博士后和小组负责人。我先后经历了比较法式和比较德式的研究教育。

在法国时，一个实验组有多位老师，遇到问题可以找不同的人。在因斯布鲁克，PI 的权限和责任更加集中。作为博士后，我需要承担更多小组管理和日常决策。

刚开始会有一些不适应，因为遇到问题不能像以前一样随时找人请教。但后来我意识到，这才是我真正需要的训练。如果以后要成为独立 PI，就需要慢慢放弃那些一直扶着自己走路的“拐杖”，学会独立判断、带领团队。

一个从回收站里找回来的发现

DeepTech：下面具体谈谈多体动力学局域化。量子系统本身很难被直观想象，能不能先介绍一下，你们搭建了一个怎样的系统，又在实验中观察到了什么？

郭彦良：我们先把原子冷却到非常低的温度。

物质既有粒子属性，也有波的属性。我们人也可以被描述成波，但因为质量太大、温度太高，德布罗意波长非常短，所以日常生活中感受不到。

原子的质量很小，再把它冷却下来，波动属性就会变得非常明显。当德布罗意波长与粒子之间的距离可比时，可以形成玻色—爱因斯坦凝聚。

我们再用激光形成光学晶格，把这个气体切成不同维度。你可以把三维的玻色—爱因斯坦凝聚想象成一个土豆：沿一个方向去切，可以切成很多二维土豆片；再沿垂直方向切一次，就变成很多一维“土豆条”。

每一根土豆条就像一根管子，里面有很多原子。

实验中，我们用脉冲光学势周期性地“踢”这些原子：打一下，停一段时间，再打一下。

正常情况下，你有一块冰，不停地用锤子敲它，不断向它做功，它应该越来越热，最后化掉。

在没有相互作用的单粒子系统中，过去已经看到过动力学局域化：由于量子相干，粒子在动量空间中形成了类似安德森局域化的现象。你一直敲它，它也没有变成“一滩水”。

图丨多体动力学局域化的实验实现。（来源：Science）

DeepTech：你们真正改变前人预期的地方，是发现这种“不吸收”在粒子存在强相互作用时依然能够维持？

郭彦良：对。很多人原本认为，一旦引入粒子之间的相互作用，这种局域化就会被破坏。我们的实验证明，在强相互作用下，这种局域化仍然可以存在。

我们还做了对照实验。原来使用的是固定周期驱动，后来我们改成完全随机的时序，系统很快就热化了。

这说明在周期驱动中，不同路径之间的量子干涉，是局域化得以保持的重要原因。

DeepTech：物理学上所说的“不热化”，准确指的是什么？

郭彦良：实验中的原子仍然在运动，外部驱动也没有停止。关键是系统的能量不再继续增加，动量分布也不再发生明显变化。

能量如果进入平台，就意味着虽然外界还在持续输入能量，系统却不再继续吸收。这是我们判断它进入局域化状态的重要信号。

DeepTech：但一个系统暂时不再变化，也可能只是观测时间不够长。为什么这个平台仍然不足以单独证明局域化？

郭彦良：平台还有另一种可能，叫预热化，也就是 prethermalization。它在很长一段时间里也可以呈现平台，但不代表等待无穷久以后仍然会保持。

所以研究预热化、热化、混沌和局域化，实际上都是在研究量子物质受到扰动后的响应，以及它们是否、何时会走向平衡态。

DeepTech：这项实验最初就是为了寻找多体动力学局域化，还是在研究过程中出现了一个没有预料到的结果？

郭彦良：算是一个意外发现。

2022 年 8 月，我和一位博士生在实验室里说，要不我们试一下。看了大约一个小时，有了一些结果。那位博士生觉得没有什么意思，就把数据删掉了。

但我觉得很有意思，又把数据从回收站里找了回来，说我们可以慢慢分析一下，然后再做一些实验。

当时理论和实验之间已经有分歧。2020 年左右开始有理论工作提出多体动力学局域化，后来在 2022 年有两项实验工作认为，相互作用会破坏局域化。

对我来说，有分歧是好事，说明这个问题需要更深入的回答。

到 2023 年 2 月左右，我们已经拿到了大部分实验数据，但还缺完整的模型和计算。后来我去浙江大学访问，和应磊老师打完网球，提到自己有一个工作需要理论计算。

他以前没有做过冷原子，但研究过混沌理论。他叫来自己的学生，我们一起讨论。四月时做出了第一批计算结果，与实验现象一致。八月我又带着新的数据回去，大家继续完成这项工作。

DeepTech：最初那位博士生觉得结果没有意义。你们后来有没有怀疑过，这可能只是装置问题、测量范围有限或者其他偶然因素造成的？

郭彦良：当然怀疑过，所以后来又做了很多实验。

一个难点是，我们要从有限的动量窗口中判断分布是否真的停止变化。后来我们引入了 Jensen-Shannon divergence，这原本是用来测量两个概率分布差异的方法。

比如，系统被驱动 700 次后有一个动量分布，驱动 1,000 次后又有一个分布。如果两个分布之间的距离几乎为零，就说明中间新增的 300 次驱动几乎没有改变系统。

这成为我们识别局域化的一项关键证据。

DeepTech：研究一个不热化的特殊系统，是否也有助于理解一个量子系统为什么会热化？

郭彦良：我觉得是有帮助的。

热化是一个宏观现象，但它背后一定有更微观的因素。混沌可能不会立刻表现为热化，而是先在水面下积累。积累到一定程度，我们才看到浮出水面的“冰山”。

如何在封闭的多体量子系统中看见混沌，怎样测量它，它在什么条件下积累成热化，都是可以继续研究的问题。

我们也想引入微观的量子杂质，从杂质的视角看整个背景气体如何从局域化走向热化。这相当于放进一个小探针，看它怎样感受环境的变化。

DeepTech：一个原子按照量子规律运动，大量原子却可以用温度和热平衡来描述。你认为这项实验能怎样帮助我们理解微观量子动力学与宏观热力学之间的联系？

郭彦良：我给小朋友讲过一个例子：往水杯里倒水，这个过程是量子的还是经典的？

说它是经典的是对的，因为你看到水面的高度在连续变化。说它是量子的也是对的，因为如果有一台足够快、足够精密的摄像机，你看到的是水分子一个一个地进去。观测尺度不同，得到的答案就不同。

经典力学对日常生活的尺度是完全有效的。我们可以用它建楼、设计管道和各种力学结构。但在超低温、超小粒子等极端条件下，量子波动性变得非常明显，经典描述就会失效。

一个分子按量子规律运动，十亿个分子在宏观上却可以被经典热力学描述，中间的边界在哪里？一个系统如何从量子走向经典？这是很有意思的问题。

局域化是由量子相关性形成的，热化则与相关性的扩散、退相干等过程有关。一个具体的实验，可以成为切入这些深层问题的一个视角。

DeepTech：目前学界对多体动力学局域化形成机制的理解，大致处于什么阶段？

郭彦良：我觉得现在仍然处在从现象出发、逐渐深入机制的阶段。

实验论文投给《Science》以后，浙江大学的理论团队又主导了后续工作，还是差不多同一批人，进一步解释现象背后的机制，后来发表了一篇《Physical Review Letters》论文。

我们也在另一个实验台上把这个问题推向三维气体。三维气体在持续驱动下，会根据驱动强度和相互作用强度的不同，分成热化和局域化两个区域。

我们看到了非常明显的界限，并在动量空间和实空间中看到了相关现象。其中有一部分符合我的预期，也有一部分不符合。对我来说，不符合预期的部分反而更有意思。

DeepTech：论文发表以后，有研究者把它理解为一种可能的量子相干保护机制。但从实验中的特定现象，到能够保护量子比特的通用技术，中间还缺少什么？

郭彦良：我们一开始做这项工作时，并没有朝应用或者相干保护的方向去想。

论文出来后，一些做 Quantum AI 的人对它很感兴趣，会问：这是不是可以成为一种保护机制？

我们只是证明了，在一类有相互作用的系统中，对于一类特定驱动，确实会出现这样的保护。但更普适的机制是什么，能不能把它提炼成一项保护量子比特、延缓退相干的技术，我们现在不知道。

不同量子计算路线的研究者，可能会从这个现象中看到不同的可能性。但从我的视角看，它目前仍然是从好奇、发现规律走向创造技术过程中的一个起点。

在一维量子气体中实现任意子化

DeepTech：再谈另一项成果。我们熟悉的粒子通常被分为玻色子和费米子。任意子为什么能成为第三种可能？

郭彦良：在我们日常生活的三维世界中，基本粒子的统计主要分为玻色子和费米子。电子、质子和中子属于费米子，光子则属于玻色子。

玻色子可以聚集到同一个量子态中，费米子受泡利不相容原理的限制，每一个量子态只能被有限数量的费米子占据。

可以打个比方：玻色子像是一辆大巴，很多人都可以坐到同一个位置；费米子则要一个人一个座位。

两个相同粒子交换时，量子波函数会积累一个相位。玻色子的交换相位是零，费米子是 π。任意子则可以取零到 π 之间的其他角度，所以它的统计性质介于玻色子和费米子之间。

DeepTech：为什么任意子主要与低维系统联系在一起？

郭彦良：两个粒子的交换，可以想象成一个粒子绕着另一个粒子运动一圈。

假设中间是一个粒子，一根皮筋代表另一个粒子绕它运动的路径。在三维空间中，因为可以向第三个维度抬起来，皮筋可以从粒子上脱开。“绕过”和“没有绕过”的路径可以连续变形成对方。

但如果是在二维平面上，路径一旦绕了一圈，就不能在不穿过中间粒子的情况下把这一圈解开。绕一圈、两圈还是三圈，会成为被拓扑保护的信息。这也是二维任意子和拓扑量子计算受到关注的原因。

我曾经问过邓肯·霍尔丹（Duncan Haldane），更高维度里是不是也可以有任意子。他想了很久，说感觉这种可能性还是应该存在于低维。更高维的数学当然可能还有其他情况，但至少直观上很难。

DeepTech：按照刚才的解释，二维空间中的粒子至少还可以彼此环绕；一维系统里，粒子甚至没有空间从旁边经过。既然如此，一维为什么反而可能实现任意子关联？

郭彦良：一维的困难是，粒子都在一根管子里，旁边没有空间可以绕过彼此。

如果两个粒子完全没有相互作用，它们可以直接穿过对方，但那不是我们要的多体交换。如果排斥相互作用无穷强，它们又会被完全卡住。

恰恰是在这种特殊的一维强相互作用系统中，统计性质可以由相互作用和自旋结构重新塑造，才给了我们实现任意子关联的可能。

DeepTech：你们最终是怎样利用杂质、自旋和相互作用，在一维量子气体中做出这种特殊统计的？

郭彦良：你可以想象一根管子里有很多原子，大部分原子的自旋向下，我们在中间制备一个自旋向上的原子，它就是一个杂质。

杂质与背景气体之间有很强的排斥相互作用。我们再给这个杂质施加一个很小的力，向系统输入动量。

图丨一维任意子的实验实现（来源：Nature）

但相互作用非常强，直接把粒子从其他原子中拉过去很困难。这时候，电荷部分被卡住，但自旋可以传播，也就是发生自旋—电荷分离。

假设原来是一个自旋向上和一个自旋向下的粒子，经过演化后变成向下和向上，就像两个人交换了衣服，但没有交换身体。这是一种“部分交换”，因此可以呈现出介于玻色子和费米子之间的统计性质。

这种条件在自然界中不会自动出现，是我们在人工构建的量子世界中主动设计出来的。

DeepTech：实验中所说的“直接观测”，具体看到了什么信号？

郭彦良：我们通过杂质动量分布的不对称性看到任意子关联，并用三种不同的理论模型和实验结果进行比较。

更严谨的说法其实是“任意子化”。我们实现和观测的是任意子关联，不是在自然界中找到了一种新的基本粒子。

DeepTech：所以，你们不是在自然界中发现了一种新的基本粒子，而是把原有玻色子的关联“任意子化”了？

郭彦良：对。我们在人工构建的量子系统中，通过相互作用、自旋和外部控制，让原本的玻色子呈现出任意子的关联性质。

DeepTech：任意子经常与拓扑量子计算一起出现，也是这项成果最容易被外界放大的部分。你们实现的阿贝尔任意子关联，与拓扑量子计算需要的非阿贝尔任意子，最关键的差别是什么？

郭彦良：如果两个玻色子交换，积累的相位是零；费米子是 π；阿贝尔任意子可以是零到 π 之间的某个角度。这个相位仍然是一个数，不同交换操作的先后顺序不会改变最后的结果。

真正用于拓扑量子计算的非阿贝尔任意子，交换操作对应的不是一个数，而是一个矩阵。

矩阵 A 乘矩阵 B，与 B 乘 A 可能不一样。所以先交换谁、后交换谁，会得到不同的结果。这种不可交换性才能用来编码和执行拓扑量子计算。

我们现在还没有走到这一步。从看见阿贝尔任意子关联，到实现非阿贝尔任意子，再到真正完成拓扑量子计算，中间还有很长的路。

理论上，也许明天有人就会提出一种方案，告诉我们只要再怎样调一下就可以；也许还要很久。至少从我现在的理解看，这项工作并不能直接导向拓扑量子计算。

DeepTech：如果暂时不把它直接指向拓扑量子计算，这项成果眼下更重要的价值是什么：发现一种新的量子状态，还是获得一种新的量子操控能力？

郭彦良：我觉得两者都有。

一方面，我们在人工构建的量子世界里看到了一种新状态；另一方面，我们学会了怎样调控统计角。

在实验中，我们控制施加在杂质上的小力的作用时间，就可以让统计角在零到 π 之间连续变化。在这个意义上，它已经是可编程的。

DeepTech：从这里走向更完整的“可编程”，下一步还希望增加哪些控制能力？

郭彦良：我以后想搭建的实验，还希望做到定点制备杂质。

比如在一根一维管子中，指定某个位置是杂质，另一个位置也是杂质，从而得到一个可编程的一维双组分混合气体。

这会给周期调控、杂质动力学和多体相关性研究带来更多自由。但“可编程”并不等于已经找到了具体应用，这两件事仍然要分开。

一条逐渐显现的研究主线

DeepTech：从多体动力学局域化到一维任意子化，这些研究背后有没有一个共同驱动的问题？

郭彦良：这条主线其实是慢慢找出来的。

一开始不是我先想好一条主线，再去做所有工作。没有积累时就宣布一条主线，就像一个十岁的孩子说自己已经有了人生主线，听着反而有点吓人。（笑）

我从二维系统、巨量子涡旋，做到二维—一维的维度变换和降维冷却，后来又做多体动力学局域化和任意子化。

这些工作看上去像散落在不同区域的点，但慢慢地，我发现它们都指向同一个问题：量子关联是如何形成、破坏和重构的？

如果把一个人拆成分子，再把这些分子按照原来的方式重新组合起来，他还是原来的那个人吗？

零件都一样，结构也一样，但好像还少了一些什么，我觉得缺少的是关联。

就像把一条鱼切成三段，再把三段严丝合缝地拼回去，一块肉都不少，但它已经不是原来那条活着的鱼了。物质的“零件”相同时，不同的关联方式可以形成完全不同的整体。

我们过去做二维到一维的交叉时，看的是一体关联函数如何衰减。二维是一种衰减方式，一维是另一种。在从二维向一维过渡时，短程关联先进入一维，长程关联仍然保留二维性质，后来长程部分才慢慢变成一维。

多体动力学局域化之所以能够保持，也是因为某些量子关联没有被持续驱动破坏。任意子化则是通过杂质和新的自旋结构，主动把一种新关联构造出来。

这些工作其实都在看，不同条件下的关联怎样变化。

DeepTech：那在尚且看不见“主线”的时候，你靠什么判断一个问题值得继续投入？

郭彦良：其实很难事先判断，很多时候还是因为好奇。

你对一个问题有一些储备，做了实验，看到某个现象，然后好奇为什么会出现。你去找不同的人讨论，阅读文献，总结现象背后的原因。当觉得自己理解了，再设计一个新实验去验证。

结果有一部分符合，一部分不符合，就继续迭代。整个过程就是不断学习。

我接触过的很多老师和物理学家，很少说某个领域“没意思”或者“被做死了”。我觉得没有被做死的领域，只有还没有继续深挖的人。

有些领域表面上已经“捞不着油”，如果还想继续向下开采，需要的时间、耐心和成本会更高，但可能的收获也更高。

很多经验性方法，是通过改变一个“黑箱”的输入，观察它的输出，再总结出一条规律。但经验并不等于机制。

我们做超冷原子实验，就是尽量把复杂的黑箱变成只有一个可控变量的黑箱。先理解一个变量，再加入第二个、第三个，最后把黑箱里的机制打开。

DeepTech：回国以后，你准备优先推进哪些研究？

郭彦良：一条线是任意子和杂质。我们可以在不同维度和不同系统中设计不同的交换统计。

现在一维中可以实现任意子关联，二维中反而没有以同样的方式存在。那么，从一维走向二维时，是什么新关联建立起来，又是什么关联破坏了一维任意子化？这里有很多值得继续追问的问题。

另一条线是热化、混沌和局域化。这两条线不是分开的，完全可以交叉。

比如，任意子关联在驱动下怎样变化？引入一个杂质以后，再去驱动背景气体或者杂质，背景气体还会不会局域化？一个杂质会不会让整个局域化状态发生雪崩？又或者，这个杂质能不能感受背景气体从局域化走向热化的过程？

我和国内合作者交流时，也有人劝我，不要把所有想法都说出来，要为自己以后的实验保留一些。但我觉得，知道的人越多，可能产生的想法也越多。

每个人都有自己的认知区域，也有一些与已知区域没有连接的“飞地”。当我用你生活中已经理解的例子，在你的经验与量子物理之间搭起一座桥，这块飞地就慢慢并入你的认知。

已知区域越大，与未知交界的边缘反而越长，可以提出的新问题也越多。

所以我很愿意与其他老师交流想法。我也很好奇，如果他去做这个实验，究竟会出现什么。他的结果可能又会触发我新的想法，使我对原来的问题理解得更深。

回国，从零建立实验室

DeepTech：你在欧洲已经拥有成熟的合作环境和实验平台，回国意味着很多事情要重新开始。为什么最终选择在这个阶段回来，并加入中国人民大学？

郭彦良：人大物理从 2005 年开始建设，起步以后成长得很快，后来又成立了物理学院。我看到这个学科正在成长，而我回国以后同样需要成长。

人大物理在成长，我也在成长，我觉得双方的目标可以同频。很多成熟大学当然也需要成长，但已经成长到一定程度，有没有我可能并没有那么大的区别。

我希望自己能作为其中一分子，把自己的成长与人大物理的成长结合起来。

还有一些现实层面的考虑：北京离家相对更近，学校在工作和生活方面也提供了比较完善的支持。更重要的是，这里的科研环境与我的研究特点比较契合。

超冷原子实验往往需要较长的建设周期，我希望能够按照长期目标搭建平台、选择问题，并逐步展开一些需要持续投入的研究。北京拥有丰富的学术资源，人大也给了我充分的探索空间，这些因素最终促成了我的选择。

我的博士实验组建立了很多年，我在那里参与做出了实验台的第一篇 PRL。因斯布鲁克的实验台也有很长一段时间没有发表工作，我加入以后，大家一起做出了几项重要成果。

当然这里有很多运气成分，但我希望自己能继续带着这种运气，为人大物理带来新的突破。

DeepTech：过去在因斯布鲁克，你的主要精力可以集中在实验和科学问题上；现在要同时处理场地、设备、经费、招生和教学。成为独立 PI 后，哪一部分工作最超出你原来的预期？

郭彦良：之前在国外，虽然我也有自己的基金，但有秘书协助管理，也没有教学任务，不用思考怎样招学生。

因斯布鲁克本身就能吸引很多优秀学生，所以我可以把精力基本都放在科研上，用来满足我和团队的好奇心。

回国成为 PI 以后，学校给了我启动经费，我要考虑怎样合理地花这笔钱。买一台设备，要论证为什么需要买、学校原来有没有、价格是否合理，还要开论证会。

在回国以前，这些 paperwork 会花费这么多精力，是我没有意识到的。

从一个位置突然移动到另一个位置，就像把一个小球突然挪过去，它会先在新位置附近振荡几下。等到整个系统运行良好，这些事情应该会被更多人分担，但目前主要还是我自己。

科研方面，现在是百废待兴。要考察合适的实验室位置，装修，搭建实验装置，申请资金，再去招学生。我也在考虑，是否可以与公司合作，建立联合实验室。

过去在因斯布鲁克，我带过不少学生，其中很多来自国内顶尖大学。现在我是人大的新老师，学生还不知道我有没有能力带他们继续往前走，招生也成为一个新的挑战。

很多学生本科阶段没有接触过冷原子和量子物理。当他面对一个从未亲眼见过的实验时，要决定跟我一起从零开始，是需要魄力的。

所以我越来越感觉，从头建立一个实验室，与创业的过程很像：去申请资金，去拉人、建班子，去找地方安顿下来，然后把一个想法逐步变成可以运行的系统。

DeepTech：对于一个还没有运行起来的新实验室，学生无法预先看到成熟装置和稳定成果。你希望招到怎样的学生？

郭彦良：首先是感兴趣，也就是有好奇心。第二是能够对自己负责，有自驱力。还有一点很重要，但不容易量化：他需要有更长远的眼光和考量。

我觉得要因材施教。每个人都有自己的特质和擅长的东西，不能用完全相同的标准要求所有人。

但不同实验组确实会形成不同氛围，这种氛围往往与 PI 的性格和处理事情的方式有关。每个人有自己的个性，但也会承载团队的烙印。

DeepTech：那么你希望自己的实验室形成一种怎样的工作氛围？

郭彦良：我希望它是自由的，同时每个人都为自己负责。

不一定要求加班或者坐班，但你要真正对手里的问题感兴趣，真的想搞清楚为什么，然后我可以和你一起搞清楚。

我也是回头看自己，想什么东西支撑我一路走过来。我觉得是这两点：自驱力决定你是否有韧性，好奇心决定你是否有继续往前走的魄力。

当一个人被兴趣驱动时，就不会觉得自己只是来上班，而是在做自己想做的事，顺便把钱赚了，不让自己饿死。（笑）

我希望自己可以一直保持这种研究状态。

科学、工程与创业之间

DeepTech：你刚才把从零建立实验室比作创业：申请资金、找场地、拉人、建班子，再把一个想法变成可以运行的系统。那么你有没有考虑进行真正的成果转化或创业？

郭彦良：我以前的大部分经历，都是被好奇心驱动，去探索自然规律。在没有人去过的地方又踏上一脚，对我来说就已经很有意义。

但从好奇走向应用，把自然规律转化成技术，除了好奇心，还必须加上责任心。

做公司、拿投资人的钱，就要真正对投资人负责，也要有东西可以回馈社会。这也是我过去一直犹豫、没有轻易走向创业的原因。

这次来上海，我第一次密集见到这么多投资人，也被加了很多微信。昨天活动上有人说，找投资人就像相亲，要找到真正匹配的对象。

我来之前的状态，像是已经看到了相亲角，但还在犹豫要不要迈一只脚进去看看热闹。这次来了以后，觉得这个相亲角确实挺热闹的。（笑）

至少可以先了解投资人的视角，看看什么样的团队、技术和资本才叫“门当户对”。

但我还是会先在人大把自己的东西做出来。我也在想，是不是可以借助资本的力量，一起把某些事情做出来，但现在还没有想好具体的方式。

DeepTech：你提到，拿投资人的钱不仅需要好奇心，还需要责任心。对你来说，一项研究成果达到什么程度，才有资格从科学问题变成创业项目？

郭彦良：我们做实验需要经费。一般会申请学校的启动经费，再向国家自然科学基金委员会、科技部等机构申请项目。这些钱的很大一部分最终来自税收和社会。

对大学老师来说，第一层责任是培养学生，带学生一起探索新问题。第二层是，我们是不是也应该把一部分规律真正转化成技术，最后变成能够改变生活的东西？这也可能是社会愿意投入大量人力、物力和财力支持基础研究的原因之一。

但真正做公司以后，责任是不一样的。你不能只是说这个规律很有意思，还需要证明它能够变成某种东西，并且真正创造价值。

DeepTech：超冷原子领域的科学与工程本来就紧密交织。随着装置越来越复杂，科学家与工程师是否正在变成两种更加明确的角色？

郭彦良：我们这个领域里，科学和技术从一开始就缠在一起。只有先发展出合适的技术，才能搭出实验装置；只有装置搭出来，才能探索对应的科学问题。

我后来与安托万·布罗瓦耶聊过 Pasqal。公司可以拿出更高的薪资招募工程人才，学术界则需要持续培养新人。

他们探索的一种方式是建联合实验室：公司出钱招人和建设设备，学校负责培养学生和工程师，研究人员再利用这台机器探索新的物理问题。

它不要求每一个大学实验室都必须立刻产生一项应用，而是通过开发好技术、建立好装置，继续探索科学，同时寻找其中可以落地的点。

在我看来，这个领域里有两种成功路径：成为优秀的工程师，或者成为优秀的科学家。

科学家没有工程能力，很难做出这些科学；工程师也不能完全不懂科学，否则就不知道设备究竟要实现什么。

早期的超冷原子和中性原子量子模拟研究者，往往同时具有科学家和工程师的能力。随着系统越来越复杂，这两种角色可能逐渐分工，但必须保持对彼此的理解。

从这个角度看，大学老师建立一个新团队，又何尝不是一种创业？只是名字不同，承担的责任不同。

DeepTech：前面提到，论文发表后，一些从事 Quantum AI 的研究者开始关心，这种局域化能否成为一种保护量子比特、延缓退相干的机制。如果一定要谈一个值得继续观察的转化方向，你会从这里出发吗？

郭彦良：实话说，我不知道。

我过去所有的经验，都是基于好奇心发现一些自然规律。这些规律有没有可能变成产业技术，我真的不清楚。

杂质探测也许是一个可以思考的方向。背景气体可以被当成一个环境，杂质与它发生碰撞。我们可以利用杂质感受背景气体受到驱动之后的噪声和退相干过程，也可以单独对背景气体施加扰动，或者单独对杂质施加力，看它们怎样反馈对方的状态。

量子系统很脆弱，很小的噪声就可能使它退相干。但这种脆弱也可以被利用。

如果一个人能够感受到一根头发落在身上，而我完全感受不到，那么他才是探测这件事的更好传感器。一个对噪声更敏感的量子系统，也许能感受到其他手段很难看到的微小扰动。

杂质能不能成为探测背景气体和环境噪声的多体探针，这是一种可能性，但目前仍然是一个由好奇心驱动的研究问题，还不是已经定义好的产品。

把量子变成可以想象的画面

DeepTech：你既写专业著作，也写面向青少年的量子科普。对一个实验物理学家来说，为什么会在科学传播上投入这么多时间？

郭彦良：我每次写论文时，都希望即使是发在专业期刊上的文章，也能尽量让我太太看明白。她学的是新闻，不是物理。我需要一直寻找，到底用什么样的例子才能把一个东西讲清楚。

我开始写中文专业书，还与一次电脑被偷的经历有关。

法国的博士对论文非常重视，通常要专门花半年左右写博士论文。2020 年三月，法国开始封城，我不能再进实验室，就全身心投入写论文。

写了一两个月以后，我觉得很累，开车去了蒙马特高地。我带了电脑和备份论文的 U 盘，想着玩累了还可以继续写。吃东西时回头一看，车被撬了，包被偷了，电脑和备份 U 盘都在里面。前面写的一两章只能重写。

重写时我就在想，我费了这么大的劲，难道只是让同一个小领域里的人看见吗？既然已经要再费一遍劲，不如多费一点，把这些内容再写成一本中文书。

英文博士论文可能有五分之一在讲别人做了什么，五分之四在讲我做了什么；我想写的中文书，则是用十分之九介绍这个领域已经知道什么，只用十分之一讲我们自己的工作。

后来就有了《冷原子物理与低维量子气体》。写这本书时，我们有一个很直白的原则：不装，能够讲明白的东西就好好讲明白。

我以前自学时遇到过一些书，明明可以说得很清楚，却偏要用一种让人看不懂的方式来写。我希望有一定物理基础的读者，通过这本书可以看懂冷原子领域究竟在做什么。

后来，大约在 2023 年，有人请我给小学二、三年级的孩子讲过几次课。你不能直接对他们讲什么是玻色—爱因斯坦凝聚、什么是量子纠缠，而是要把这些东西全部变成可以想象的画面。

比如，激光明明给人的感觉很热，为什么可以冷却原子？我会说，想象你坐在一条正在移动的船上，我从岸上不停朝同一方向向你扔石子。你每次都接住从同一方向来的石子，却朝四面八方随机地把石子扔掉。

接石子时得到的动量有固定方向，扔石子时的平均动量却互相抵消，于是船会慢慢停下来。这就是激光冷却原子的一个类比。

我原来想把课堂上的教案和视频变成一本书，但我太太对我说：“如果只是这样写，别人也能写。什么是只有你才能写的？”

后来我把它改成了一个冒险故事：一个五年级的小女孩遇到一个电子，合成一个氢原子，再从她的视角进入极寒世界、极热世界、红外世界等不同的量子场景。

我的第一版仍然有些晦涩，后来我太太帮我重新梳理了一遍。她学新闻，能够把故事和情节更好地突显出来。

书里每一章还有我录制的视频，讲解故事背后的物理。另外还有一个“家长防崩溃指南”，因为孩子读完会问很多“为什么”，我们提前把一些可能的问题和答案列了出来。

DeepTech：一个非物理专业的读者，会发现哪些物理学家自己意识不到的表达问题吗？

郭彦良：物理学家可能觉得自己已经讲明白了，因为我们知道那些概念之间的联系。但对于一个没有这个背景的人来说，中间可能缺了很多步。

所以我一直想找，什么样的例子能够把陌生的量子物理，与一个人已经理解的生活经验连接起来。

DeepTech：不断向圈外人解释量子物理，会反过来改变你提出科学问题的方式吗？

郭彦良：我觉得，传得越远，会帮助自己挖得越深。给别人讲一个问题时，我对它的理解也会慢慢加深，还会多问出很多为什么。

现在的研究可能越来越专，专到你不再关心，甚至根本不知道隔壁领域在做什么。如果不同领域的人都愿意把自己的工作传得更广，大家就能够更容易了解相邻领域的问题，原本分开的学科也可能在某个点重新交汇。

“量子”这个词现在很火，但很多人并不清楚我们究竟在做什么。当我用一个比喻，在读者已有的认知与陌生的量子世界之间搭起一座桥，他就可能突然意识到：“原来是这样。”

这个过程也让我更容易问出那些看上去很简单，但未必容易回答的深刻问题。

DeepTech：你还参加过华语辩论赛和《奇葩说》。辩论与量子物理看起来更远了，你为什么会参与其中呢？

郭彦良：2018 年，我参加了在欧洲举办的华语辩论赛，当时拿了冠军；2019 年又参加了第六季《奇葩说》的录制。

我觉得辩论不只是要赢对方。一个辩题之所以可以被分成两个持方，一定是因为中间存在某条划分的边界。找到这条边界，就是找到一个结论在什么条件下成立。

我不需要一次把整个世界都证明，只需要在当前明确的条件下，把某个结论完整、扎实地证明出来。这就是一个里程碑。

你可以先在这里插上一面旗子，然后再继续向外探索。如果要等到整张地图都探索完才肯下结论，就永远不会有探索完的那一天。

从另一个层面来说，做实验其实也是在“让机器开口说话”。机器像一个不能说话的病人。你只知道它肚子疼，却不知道是吃多了，是内部其他器官的影响，还是皮肤表面受了伤。

你要根据不同的假设设计不同实验，一个个排除可能性，最后让这台不能说话的机器把答案告诉你。

辩论给我的另一个帮助是表达。无论做科普、教学还是讲解实验，我都希望别人能够明白，我究竟想说什么。

DeepTech：有了这种表达能力，如果以后真的创业，可能也会帮助您说服投资人。

郭彦良：“说服”不是靠辩论，而是真正找到一个核心的产品，不可替代的团队组合，以及清晰的路线。先要真正找到一个能够完全说服自己的核心，让我相信它真的可以变成产业，并且真正造福于民。

无论是国家的钱还是投资人的钱，都是来自社会。最后怎样用一个东西真正回馈给社会，才是最重要的。

表达是一个乘法器，但如果乘法器前面是零，乘法器再大也仍然是零。

前面必须先有一个真正能够落地、能够创造价值的产品，再加上表达这个乘法器，让大家都知道我们做了什么和要做什么，才能把它放大。

DeepTech：最后一个问题作为总结，TR35 是对过去工作的阶段性认可，那么未来你最希望推进哪些工作？

郭彦良：科研上，我会继续推进两条相互交叉的主线：一条是任意子、杂质和量子统计，另一条是热化、混沌和局域化。

我希望用可控杂质把它们连接起来，从微观尺度研究关联如何形成、破坏和重构。

教学上，我也要真正开始用中文上课。我以前在法国用法语给大四学生教过数学和计算机，在奥地利用英语教过课。回国以后，我希望好好准备中文课程。如果有合适的平台，也想把它做成一套可以被更多人看到的系列课程。

课程可以有不同层次：既有面向只是对量子好奇的人的内容，也有面向刚进入大学、已经有一点数学基础的学生的内容。

很多学生在本科时很少有机会直观看见量子气体和量子行为。我希望在课程中加入真实实验的照片、视频和图像。

课程做出来就像写成一本书，不需要每次从头再讲，而是可以让更多人长期使用。

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