她在“极寒世界”里，捕捉量子计算的未来
沈洁（左）指导学生做研究。
■本报记者 韩扬眉
在中国科学院物理研究所（以下简称物理所）研究员沈洁的手机和电脑软件里，置顶了一个名为“Shen group”的共享文档，一眼看上去是一张张枯燥的曲线图。数据分门别类，类别的一侧记录着更新时间——“08：21”“11：39”“20：01”“00：32”……有的一两天更新一次，有的一天更新多次。
无论在出差的火车上、开会的间隙，还是凌晨回到家中，沈洁只要没在实验室，每天必做的一件事就是点开它。这是从她的课题组、位于北京怀柔的综合极端条件实验装置实验站传来的数据，更是她开展下一步研究的基础。
沈洁从事拓扑量子计算研究。数据记录的是每一步电路优化、参数调整的过程。不管数据是否“漂亮”，总能引起她的思考：背后的物理图像是什么？实验哪个部分还能改进？在这种不断拆解与追问的过程中，她逐步接近科学的真相。而这是沈洁最享受的时刻。
不久前，沈洁获得全国五一劳动奖章。她说，科学家与每个劳动者一样，都是每天踏实地做着一些看似不起眼的“小事”，“把每件‘小事’都做好，时间久了，自然会获得重要的科学发现”。
挑战自我
2019年，在北京中关村物理所的一间会议室里，物理所怀柔研究部主任、综合极端条件实验装置首席科学家吕力开门见山地问：“怀柔需要有人建设实验站，谁愿意去？”
“我去吧。”坐在一旁的沈洁刚回国入职物理所不久，思忖了片刻说。
吕力口中怀柔要建设的，是我国重大科技基础设施——综合极端条件实验装置（以下简称装置）。彼时，装置主体建筑已经完工，需要科研人员攻关极低温、超高压、强磁场和超快光场等极端条件的关键技术，并搭建实验站。
“与延续过去的工作相比，这肯定是件有挑战性的事情。”提及选择初衷，沈洁笑言，随即话锋一转，“但也一定有广阔的发展空间，因为那里代表着‘未来’，先进的实验条件将催生世界领先的基础研究成果。”
比起安稳的道路，沈洁每一步总是选择充满挑战的方向。
2008年，读博士时，沈洁选择了在国内还处在初级阶段的量子科技，方向是极低温量子输运与拓扑量子计算。面对实现量子计算的诸多路径，沈洁再次选择一项“从0到1”的事业——构筑拓扑量子比特。其与超导、离子阱等技术路径不同，拓扑量子比特被喻为量子信息的“保险箱”，是实现容错量子计算的重要方向。
而在实现拓扑量子比特的路线中，她主动选择了器件制备复杂、测量要求高的“马约拉纳”路线。此外，她不只追求单个峰值，而且系统构建“马约拉纳岛”，以求构建更强、更稳定的拓扑量子比特。
“人无远虑，必有近忧。选择新路，在一开始肯定会感到不舒服，甚至是难受的。但年轻时如果选择安稳，就很难有发展空间。”沈洁说。
打通路径
刚到怀柔时，迎接沈洁的不仅有“未来”，还有坑坑洼洼的土路、没有路灯的夜晚、实验室里的通宵达旦，以及不方便的生活。
沈洁是极低温强磁场量子输运和调控实验站的负责人，她要带领团队搭建一个做量子实验的“超级工厂”：开展复杂的线路布局与仪器调试、将测量噪声提升至纳伏级别、建造微波频域的极低温测量线路、提高精度以精准捕捉稍纵即逝的量子信号……
搭建装置的工作相对琐碎，短时间内难出重要成果。沈洁深知，好的科学研究没有捷径。那几年，她带领团队沉下心来，专注于实验平台的搭建和工艺路线的验证。
经过数年的埋头苦干，2022年，极低温强磁场量子输运和调控实验站成为装置首批试运行的实验站。实验站实现了10毫开尔文（-273.14℃）以下的极低温，最大磁场可达12特斯拉（约是地球磁场的10万倍量级）的强磁场，以及3D旋转的矢量磁场。这样的实验环境可使固态量子器件的量子态在调控过程中尽可能长时间保持稳定，保障量子信息不丢失。一时间，该实验站成为国际前沿固态量子计算实验研究的重要平台。
实验平台是“利器”，有拿手绝活儿才更具有竞争力。沈洁团队的绝活儿，是专注“半导体-超导”复合系统，开展量子器件的精密调控与测量，将科学家送上门的“宝贝材料”变成低功耗、高效能的新型量子学器件。
练绝活儿的过程并不轻松。测量、调控、加工……一个材料需要数十乃至上百道工序，同时还要攻克加工过程中量子性能退化的难题。不过，一旦工艺路线走通了，他们就可以像“搭乐高”一样，将其搭成具有独特性能的器件。而这需要大量的时间和经验的积累。
2023年，实验站诞生了第一个重量级成果。沈洁联合物理所理论组，制备出新型拓扑材料Ta2Pd3Te5，并对其进行调控测量，发现它具有独特的“Luttinger液体”行为——性质稳定、可延展、可调节。
发现新材料是第一步，接下来是认识其物理性质。团队利用拓扑材料Ta2Pd3Te5的边缘态和超导电极构建了一种新型的约瑟夫森二极管，后者具有磁场小、效率高、功率低和在微波环境下相对稳定性的优势。此外，这类机制的约瑟夫森二极管可与尖端光刻技术兼容，并集成到大规模超导量子电路中，使超导电子学具有巨大的应用价值。
所有努力的最终目标，是做出实用的器件。近日，沈洁带领团队利用拓扑材料Ta2Pd3Te5具有的“Luttinger液体”新颖特性，成功研制出一种适用于宽温区测量的电阻温度计，并将其命名为“拓扑温度计”，为拓扑材料走向实际应用提供了一个具有前景的方向。
完成了这一系列工作，沈洁团队不仅建立了Ta2Pd3Te5拓扑量子材料的研究体系，更打通了从材料生长到物性表征，再到器件应用的全链条研究路径。
“拓扑量子计算是我们的大目标，通过‘玩’一些新量子器件构型，寻找突然一现的‘灵感’。”沈洁说。
如今，众多科学家纷纷找到沈洁团队，希望能解决一些“极端”的需求。实验站已与国内外90余家科研机构合作，产出了一批发表于《自然》《科学》等顶刊的成果，成为我国开展量子前沿研究和国际合作的关键基地。
追求“内啡肽”
回到沈洁选择科研的起点——2013年初春，对中国科学界而言，最重要的事件无疑是首次实现了“量子反常霍尔效应”。物理学家、诺贝尔奖得主杨振宁称赞该成果为“第一次从中国实验室里发表的诺贝尔奖级的物理学论文”。
在铺天盖地的新闻报道中，夹杂着一张并不引人注目的照片。照片中有6名博士生，他们是这一成果发现的青年主力军代表。作为这篇论文的第一作者之一，娃娃脸的沈洁蹲在第一排，开心地笑着。
彼时，她是物理所五年级博士生。在这一成果诞生之前，由于长时间没有出重要成果，她一度怀疑“自己是否适合做科研”，甚至开始找其他行业的工作机会。“这个工作对我影响很大，论文发表后，我有了信心，觉得似乎可以尝试一下做科研。”沈洁决定，博士毕业后，前往美国耶鲁大学从事博士后研究工作。
至今13年过去了，沈洁已经成长为一名优秀的青年科学家。回忆起这段经历，她总结道，这些年来在选题、科学上的直觉，深受这一研究的影响，“与顶尖的科学家一起工作，让我知道了最好的科学研究是什么样子的”。
“做学生时就能参与到这样的工作中是很幸运的，因为它太重要了。”沈洁充满感恩地说。
这种在重要科学研究历程中被浸润的“科研态度”和“科学品味”，也被沈洁带到了学生培养中。“沈老师支持我们参加领域内的顶尖学术会议，鼓励我们与世界各地的优秀科学家交流，了解他们的研究目标和思路，学习他们是如何做科研的。”物理所博士后王安琪对《中国科学报》说。
更重要的是，在沈洁心中，这一研究是个“标杆”，她希望能做出像它一样重要的工作。
“拓扑量子比特的重要性可与其比肩。”沈洁说，拓扑量子比特通过利用微观粒子的拓扑性质来保护量子信息，是实现大规模、实用化通用量子计算的理想路径之一。实现拓扑量子比特的突破，将具有革命性意义。她希望团队能做出引领性的工作。
但越往前走，瓶颈就越难突破。沈洁直言，必须投入足够多的时间去思考，要有“坐冷板凳”的定力，才能取得真正意义上的重大突破。沈洁坦承，为此，过去喜欢的旅游等兴趣爱好已经被搁置了。比起多巴胺带来的即时快乐，每成功完成一次测量、得到一个漂亮的数据所激发的内啡肽，能带给她更持久的愉悦感。
“我很幸运，量子科技既是我的兴趣，也是国家需求和科学前沿，三者完美地结合在了一起。”沈洁说。