近日，2004年诺贝尔物理学奖获得者、美国理论物理学家弗兰克·维尔切克受聘为李政道研究所首任所长。在今天开幕的上海市科协第十五届学术年会上，他向解放日报·上观新闻记者透露，李政道研究所将设立维尔切克量子研究中心，研发“深得量子力学精髓”的量子计算机；还将研究晶体管神经网络，通过模拟大脑，力争开发出新一代人工智能系统。
李政道推荐他担任首任所长
李政道研究所由诺贝尔物理学奖获得者李政道倡议建立，他希望参照丹麦玻尔研究所，在中国建立一个世界顶级科研机构，吸引一批全球顶尖科学家来华从事物理与天文领域的前沿研究，推动我国基础科学从国际“并跑”升级为“领跑”。去年5月，科技部、教育部和上海市政府共同决定：在上海创建李政道研究所，以上海交通大学为承建和托管单位。在今年8月发布的《张江科学城建设规划》中，李政道研究所选址确定，将建在张江科学城，背靠中国商飞上海飞机设计研究院。研究所建筑总面积为8万平方米，包括一座4万平方米的量子科技实验楼，计划未来3年内建成。
维尔切克是美国著名理论物理学家，因在夸克粒子理论方面取得的成就，2004年获得诺贝尔物理学奖。他是国际物理学界公认的一位学术领袖，近年来带领团队，在量子计算、凝聚态物理、粒子物理等多个领域取得了非常前沿的进展。因此，李政道推荐维尔切克担任首任所长，他欣然应允，并于近日正式受聘，聘期为5年。
弗兰克·维尔切克在上海市科协第十五届学术年会上演讲。杨浦东 摄
据介绍，李政道研究所将在粒子物理、天体物理宇宙学、量子科学与技术三个领域开展研究和国际交流活动。“我们将邀请一批国际一流科学家加盟。”维尔切克说，“至于研究所具体从事哪些课题研究，我会和交大团队进一步讨论。”
二维粒子“编织”量子计算
量子科学与技术是这位诺奖得主很看重的研究领域。今天举行的市科协学术年会主题报告会上，他用深入浅出的语言，向数百名听众介绍了量子力学的研究进展。“二维材料内部有一些特殊的粒子，叫作‘任意子’，它们能组成一条条‘世界线’。我们可以像编辫子那样‘编织’这些线，进行量子计算。”维尔切克表示，这不是科幻，因为包括芯片在内的微电子世界是二维的。
对二维材料中任意子的研究，有望催生以“拓扑量子计算”为基础的量子计算机。对于拓扑学，一些读者可能并不陌生。这是一门重要的数学分支学科，研究几何图形在连续形变下保持不变的性质。在拓扑学中，面包圈和咖啡杯的结构是一样的：面包圈可以经过一系列形变成为咖啡杯，面包圈的那个洞就变成了咖啡杯把手的洞。利用任意子及其组成的世界线的拓扑结构，拓扑量子计算可以包容很多计算错误，因为比较小的错误不会改变拓扑结构。这种容错机制，有望为量子计算机带来强大的计算能力。“任意子还有各种‘颜色’（量子状态），我们能用它们编织出一条条美丽的辫子。”
拓扑效应还能产生无耗散的超导电流。一些新材料在强磁场中，其边缘处的电子会在不同轨道上自旋，仿佛汽车在不同车道上高速行驶。将这类材料用于芯片等微电子器件后，电流会非常稳定，不像如今的计算机那么容易发热，影响计算速度。
李政道研究所成立仪式举行。海沙尔 摄
“大脑物理学”研究人工智能
晶体管神经网络也是维尔切克看重的研究方向，他将其称为“大脑物理学”研究。大脑与物理学有什么关联？他解释说，物理学家能用计算机的基本元件——晶体管构建一类系统，模拟大脑结构。传统计算机的晶体管排列结构已很成熟，可以完成高速运算，但不具备学习能力。与之不同，晶体管神经网络能够根据输入的信息改变链路方向，就像人脑那样不断进行自学习。
弗兰克·维尔切克在上海市科协第十五届学术年会上演讲。杨浦东 摄
如今，深度神经网络已较为广泛地应用于人工智能系统，而且发展速度很快，但尚未实现很多人期许的“认知智能”。李政道研究所计划开展这个方向的研究，将统计力学、流体力学等物理学分支与计算科学结合，希望在人工智能基础研究领域取得突破。（作者:俞陶然）
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