新国大杰出青年教授高媛：让量子计算机更好地解决问题
在本系列中，新加坡国立大学新闻编辑室为你介绍新国大杰出青年教授(Presidential Young Professors)，他们走在各自研究领域的科研前沿，将创造性想法转化为现实中的重要创新，让世界更美好。
读小学时，高媛(Yvonne Gao)助理教授最喜欢的消遣是在家中父亲的工作室里焊接电子电路板。
25年后的今天，她正为量子计算机设计超导“电路板”，并在自己位于新加坡国立大学的、未来主义的量子科技研究中心(Centre for Quantum Technologies)的实验室中领导并激励着由一群年轻研究人员组成的国际化团队。
高媛助理教授的科学探索得到广泛的认可和支持：2020年，她荣获新国大杰出青年教授席(Presidential Young Professorship)、新加坡国立研究基金会奖学金(National Research Foundation Fellowship)、《妇女周刊》当代杰出女性奖(Women’s Weekly’s Great Women of Our Time)，并入选亚太地区《麻省理工科技评论》35岁以下科技创新35人(MIT Technology Review Innovators Under 35)；2021年，又荣获青年科学家奖(Young Scientist Award)，该奖旨在表彰年龄在35岁及以下、对新加坡国家研究和发展做出了积极贡献、并有潜力在其专业领域达到世界领先水平的研究人员。
高媛助理教授的实验室正在探索新技术，将量子计算机分割成通过超导电路互连的模块。这将使系统面对故障时更加灵活、更稳固。
到目前为止，大多数量子计算机原型都作为一个中央处理单元(CPU)运作，使用量子力学(Quantum Mechanics)原理来执行大型的、内存密集型的计算，速度比普通计算机快很多倍。传统的计算位元(Computing Bit)处于1或0的状态，而量子位元(Quantum Bit)可以同时处于这两种状态。
高媛助理教授使用冷却至接近绝对零度的多边形图案对铝块进行精密加工，来设计模块——绝对零度低于冰点270度以上。她实验室的重中之重是冰箱，该冰箱使用氦-3和氦-4同位素做冷却剂，用途当然不是做冰淇淋或苏打水。
然而，她很快打消了量子力学是由古怪的科学家研究的古怪学科的想法。“这就像任何人在任何工作环境中都会做的事情一样——我们在解决问题。正是因为我们的选择，这些问题才具有科学的性质。我们需要特定的背景知识，但解决问题的能力适用于任何职业。”
她的工作最终可能会在许多不同的方面改善人们的生活，例如，它可能会推动数据科学和人工智能的发展，这对新加坡的智慧国(Smart Nation)计划至关重要。事实上，这是新国大和新加坡研究、创新与企业2025计划(Research Innovation and Enterprise 2025, RIE2025)的着重点。
兴趣之旅
高媛助理教授第一次找到自己的“真爱”是在中学。那时她对三门课都很感兴趣：生物、化学和物理。她在前两者的学习上遇到了困难，从化学公式到分类名称再到代谢途径，要学好这两门学科就必须记住很多东西。
但她喜欢物理课。她的老师通过日常现象的类比，来解释物理原理。“我不喜欢死记硬背。物理不同，我觉得一旦理解了它，我就可以推导出很多东西，而不只是记住一个我必须知道的名字，”她如此说道。
对学习的热情，让高媛助理教授分别在本科和博士学习阶段两次获得新加坡国家科学奖学金(National Science Scholarships)。
刚到牛津大学(University of Oxford)时，高女士很难集中注意力。因为那时她正在感受和体验从未有过的自由。首相们发表演讲，人们在街头抗议学费，还有许多其他的事情在发生。
当然，还有英国的酒吧。她经常和大学里其他物理系学生一起出去玩，其中有三个是女生。她是这些人中唯一一个继续从事物理研究的人，当然，其他人都在不同领域取得了成功。“这确实彰显了物理教育的价值——无论你将来想从事什么行业，它都可以帮助你做好准备，”她说。
到了第二年，高女士已经掌握了其中诀窍。她所学习的课程是高度概念化的，所以为了自己的项目，她在eBay上购买了一些“随机的”零件，组装了自己的热探测器。在演示过程中，她邀请自己的同学们走在探测器前面，从而展示其功能。
也正是在牛津大学，在大学导师的激励下，她第一次“陷入”了量子力学——这位导师是一位量子力学领域的专家。这最终驱使着她跨越大西洋、前往耶鲁大学(Yale University)求学，在耶鲁，她加入了Robert J. Schoelkopf教授的实验室，开始了探索和发现超导量子电路的旅程。
“那是一栋非常古老的建筑。当我第一次去实验室的时候，我感到不知所措，因为那里有很多我从未见过的仪器，还有很多人在讨论我从未听说过的东西、使用我从未听说过的术语。我很担心自己会遇到困难、不能跟上进度。”
——高媛助理教授
但她很快就追上了进度，很快就和其他人说着同样的行话。事实上，在实验室度过了非常激动和紧张的第一年之后，她决定开始一场为期六周的珠穆朗玛峰大本营(Everest Base Camp)徒步旅行，来为自己充电。
在出发去徒步旅行之前，高媛助理教授正在进行一个项目，研究薄膜中的污染物和缺陷如何影响量子设备的运行。系统运行异常，原因无从得知。
这似乎是最不该“抛弃”实验室的时刻，但喜马拉雅山脉清新凉爽的空气让高女士头脑为之一振，她回到实验室时，心中充斥着无往不利的感觉，并重新焕发出活力、有信心解决任何科学问题。经过进一步的调查，该研究团队最终发现，一种以前未被探测到的磁场是罪魁祸首，而这也将他们的研究引向了一个全新的、甚至更有趣的方向。
在耶鲁期间，高媛助理教授的朋友们向她介绍了抱石运动(Bouldering)——这是另一项让她可以做自己最喜欢的事情，即解决问题的活动。事实上，攀岩者经常把找到一条攀上岩壁的路线称为“解决”一个“问题”。通过这项运动，她还遇到了后来成为了她的丈夫的一位法国物理学家。
培养解决问题的团队
如今，高媛助理教授向自己的团队明确表示，犯错完全没有关系。如果没有错误，人们甚至可能意识不到有问题需要解决。“当人们不害怕尝试新事物，整个过程就会更加有趣，”她说，“即使失败或没有取得成果，你也能从中学到一些东西。”
为了确保自己的实验室拥有最佳的问题解决能力，高媛助理教授从全球六个国家选择理论和实验专家，组成了一个国际化团队。她的团队中有一名电气工程师、一名材料科学家和一名传统物理学家。其中有些成员对超导量子电路一无所知。但总的来说，他们所具备的各种技能可以帮助实验室解决遇到的意料之外的问题。
当新冠疫情爆发时，高媛助理教授和她的团队无法再像过去那样定期聚餐、进行休闲活动。但他们已经找到了解决方法，比如在网络聚餐中讨论科学和非科学的一切，在网上玩棋盘游戏。
与此同时，高媛助理教授迎来了自己的第一个孩子，因此也正妥善安排自己用在实验室和全新的家庭生活上的时间。这带给了她理想的精神状态，像经营一个家庭一样经营自己的实验室——在应对下一个重大的科学挑战时，无论该挑战是什么，实验室成员都能心贴心地交谈。
