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《Annals of mathematics》的接收通知所带来的学术地震余波尚未完全平息,张诚却已如精密的仪器,迅速将心态调整回高速运转的科研轨道。赞誉与关注是外在的涟漪,而系统任务那SSS级的终极目标,以及内心深处对未知领域永不停歇的探索欲,才是驱动他前行的核心动力。

第四个系统任务项目,在他的审慎权衡下,很快尘埃落定。正如他之前所留意到的,那个来自上海交通大学,关于“复杂网络系统同步性与鲁棒性的数学基础”的项目,进入了他的核心视野。

项目四(上海交通大学):

名称:大规模异质动态网络同步相变与结构鲁棒性的内在机理与数学描述。

难点:现实世界网络(如神经网络、电力网、社交网络、生物调控网络)普遍存在节点异质性(动态方程、参数不同)、连接稀疏性与非均匀性、以及随时间演化的拓扑结构。现有理论(如主稳定函数法、mean-field近似)在描述此类高度异质、非线性耦合动态网络的同步阈值、同步态稳定性、以及面对随机\/针对性攻击时的鲁棒性崩溃临界点方面,存在显着局限性,缺乏普适的数学框架。

负责人:交大自然科学研究院和数学科学学院,周文彬教授(复杂系统理论专家,擅长结合统计物理与动力系统方法)。

这个选择并非随意。张诚敏锐地察觉到,复杂网络系统所呈现出的集体动力学行为——同步、斑图形成、相变、鲁棒性与脆弱性——其背后蕴藏的数学结构,与他之前研究的诸多问题存在着深层次的联系。杨-米尔斯模空间中不同能量标度下的结构分层,是否可以类比于网络在不同耦合强度下的相变?量子纠错中处理关联噪声的整体约束思想,是否可用于理解网络面对攻击时,特定子结构对全局鲁棒性的关键作用?甚至软体机器人中材料本构的非线性,也与网络中节点动力学的非线性有着某种形式上的相似。

这是一种高维度的“知识迁移”直觉,是他在跨越多个截然不同的领域后,开始形成的独特科研视角。

与周文彬教授的视频会议,氛围更像是学术沙龙上的深入交流。周教授年约四十,气质儒雅,眼神中带着理论物理学家特有的、对复杂现象背后简洁规律的追求。

“张诚同学,欢迎你对网络科学产生兴趣!”周教授的笑容温和而富有感染力,“我们这个问题,说简单也简单,就是一堆相互连接的‘小东西’如何步调一致地行动,又如何被轻易打垮。说复杂,也极其复杂,因为‘小东西’各不相同,连接方式千奇百怪。”

他展示了几组仿真结果:一个模拟的神经元网络,在突触强度达到某个临界值时,会突然从混乱放电转变为高度同步的节律活动(癫痫发作模型);一个模拟的智能电网,当某些关键输电线路被意外切断时,会引发连锁故障,导致大面积瘫痪。

“看,这就是同步相变和鲁棒性崩溃,都是典型的非线性临界现象。”周教授指着屏幕上陡变的曲线说道,“但现有的理论,比如基于线性化稳定性的主稳定函数(mSF),对于异质节点和非线性耦合的情况,预测能力很弱。而基于平均场近似的方法,又无法捕捉网络结构的微观细节,比如关键节点、社区结构对全局行为的影响。我们需要一个能同时容纳节点异质性、非线性动力学和复杂拓扑结构的、更强大的数学框架。”

张诚认真聆听着,大脑中关于动力系统、图论、随机矩阵、统计物理乃至他最近深入研究的几何分析工具都在被快速调动、筛选、组合。

“周教授,”张诚思考后回应道,“我注意到,现有方法的一个核心局限,或许在于它们大多试图用一个‘统一’的标度或平均场来描述整个网络,这必然会抹杀异质性和微观结构带来的丰富行为。”

他顿了顿,提出了一个方向:“或许我们可以换一个思路,不再追求一个覆盖全网的平均描述,而是尝试构建一个‘多尺度’或‘分层有效’的理论。比如,将网络视为由不同动力学子系统(可能对应社区结构或功能模块)通过‘有效连接’相互作用构成的系统。首先在每个子系统内部,根据其节点异质性和内部连接,定义一个‘内部同步序参量’或‘有效动力学’;然后,再研究这些 coarse-grained(粗粒化)后的子系统之间的相互作用如何决定全局的同步与鲁棒性。这需要发展一套新的、适用于非线性动力系统的重整化群或者多尺度渐近分析方法。”

周文彬教授的眼睛瞬间亮了起来:“多尺度粗粒化!重整化群思想!妙啊!”他兴奋地用手指敲着桌面,“这个思路确实能绕过平均场的陷阱!将宏观行为与介观尺度的社区结构、微观尺度的节点异质性联系起来!但是……”他很快冷静下来,指出了关键难点,“这其中的数学挑战巨大!如何定义非线性系统的‘有效动力学’?如何确定粗粒化的‘最佳尺度’?子系统间的‘有效耦合强度’又如何从底层的微观连接和动力学中推导出来?”

“这正是我们需要解决的核心问题。”张诚沉稳地点点头,“这可能需要结合随机动力系统理论、图极限(graph limit)理论(如 graphon),以及奇异摄动理论中的匹配渐近展开方法。我愿意尝试沿着这个方向,构建一个初步的理论框架。”

“太好了!”周文彬教授毫不犹豫地表示支持,“我们团队有丰富的网络数据和仿真平台,可以为你提供任何需要的支持!张诚,你的这个思路,可能为我们打开一扇全新的窗户!”

就这样,张诚正式介入了第四个系统任务项目。与此同时,他之前参与的三个项目也进入了成果转化和收尾阶段。

西交大郭永怀教授团队基于张诚界面损伤模型撰写的论文,在《Acta materialia》的审稿过程非常顺利,评审人均对理论模型的创新性和预测能力给予了高度评价,已进入小修阶段。郭教授来信告知好消息,并再次感谢张诚的卓越贡献。

浙大陆朝阳教授团队的软体机器人论文在IcRA会议上引起了不小关注,陆教授兴奋地分享了会议现场的反馈,许多国际同行对他们的基于物理的本构模型和控制策略表示出浓厚兴趣,认为这是软体机器人走向精密化的关键一步。相关工作也已扩展投稿至《Science Robotics》期刊。

而科大的量子纠错项目,则进入了最紧张的攻坚期。潘子安教授团队正在全力对张诚发现的新型非阿贝尔码进行更全面的性能评估和解码算法设计。初步结果表明,该码在应对多种实际噪声模型时,均展现出优于传统表面码的潜力。潘教授几乎每周都会与张诚进行深度讨论,解决理论推导和算法设计中遇到的新问题。一篇整合了新型码构造与初步性能分析的论文初稿正在紧张撰写中,目标直指《Nature physics》。

张诚仿佛一个同时驾驭四匹骏马的御手,在四条并行不悖却又偶尔交叉的学术轨道上飞驰。他的时间被分割成极其精细的模块:上午可能与科大团队讨论解码算法的复杂度优化;下午潜心构建交大复杂网络项目的多尺度理论框架;晚上则审阅西交大或浙大项目的论文修改稿,或者回复各类学术邮件。

书房的白板变得前所未有的拥挤,左边是量子纠错码的稳定子生成元表和辫群表示符号,中间是复杂网络的邻接矩阵、社区结构划分和粗粒化流程草图,右边可能还残留着之前杨-米尔斯模空间分层结构的痕迹。各种颜色的笔迹交织在一起,宛如一幅描绘着他思维疆域的地图。

这种高强度的多任务并行,极其消耗心神。即便以张诚经过系统强化和自身锻炼的精神力量,也时常感到疲惫。他不得不再次动用了系统积分,兑换了一支【中级精力药剂】,以应对一个尤其关键的、需要同时处理交大网络模型极限行为分析和科大解码算法收敛性证明的攻坚周。

对于交大的复杂网络项目,张诚的理论构建并非一帆风顺。他提出的多尺度粗粒化想法虽然方向正确,但在具体数学实现上遇到了严峻挑战。如何为非线性、异质的动力学子系统定义出一个既数学严谨又便于计算的“有效动力学”,是一个核心难题。最初尝试的几种基于矩生成函数或路径积分的方法,要么计算复杂到无法进行,要么近似过于粗糙,失去了实际意义。

他再次陷入了僵局。连续数日的推演似乎都在原地打转。

然而,有了之前量子纠错项目的经验,张诚的耐性和应对挫折的能力已非昔日可比。他没有焦躁,而是暂时放下具体的推导,重新回归到问题的物理(或者说,系统)本质。

“或许……我不应该试图一次性得到‘精确’的有效动力学,”他反思道,“对于相变和鲁棒性临界点这类问题,我们往往只需要关注在临界点附近,序参量的标度行为和普适类。那么,我的粗粒化理论,目标是否可以调整为——揭示网络同步相变和鲁棒性崩溃的普适标度律,并建立其与网络拓扑异质性和动力学非线性之间的定量关联?”

这个目标的转变,意味着他不再追求一个适用于所有参数区间的“万能”有效动力学,而是专注于临界区域附近的渐近行为。

思路一转,豁然开朗。他联想到了统计物理中处理临界现象的强有力工具——重整化群(Renormalization Group, RG)!虽然传统的RG主要应用于空间延展系统(如晶格),但近年来也有学者尝试将其推广到复杂网络。

张诚决定,他要发展一套适用于异质非线性动力网络的、基于实空间重正化群(Real Space RG)的分析框架!

这无疑是一个更加雄心勃勃的目标。他需要定义网络上的“标度变换”操作,这不仅仅是对节点进行简单的块平均(那会丢失拓扑信息),而是要能够捕捉网络连接模式的本质特征。他尝试结合图论中的粗化(coarsening)技术,并引入动力系统理论中的惯性流形(Inertial manifold) 概念,来定义在粗粒化尺度下,子系统动力学中真正重要的“慢变量”是什么。

这个过程充满了创造性与挑战性。他需要自行定义 RG 流方程,计算各种临界指数,并与周文彬教授团队提供的大量仿真数据进行反复比对、校准。

就在他全身心投入到这套网络RG框架的构建中时,科大的量子纠错项目也迎来了一个重要的节点。潘子安教授团队成功地在包含12个物理比特的超导量子处理器原型上,对张诚发现的新型非阿贝尔码进行了原理性验证实验!虽然规模很小,但实验结果表明,该码在存在实验室刻意引入的关联噪声情况下,确实表现出了比同码距表面码更低的逻辑错误率!

实验成功的消息传来,潘教授在视频会议中激动之情溢于言表:“张诚!我们成功了!初步实验验证了你的理论预测!这在国际上也是首次对这类非阿贝尔结构纠错码的明确实验演示!我们的论文价值大大提升了!”

张诚也为这个突破感到由衷的高兴。这标志着他的理论工作,不仅停留在纸面,更在真实的物理系统中得到了验证。这意味着他作为“学术枢纽”,输出的不仅是理论,更是经得起实验检验的、具有潜在重大应用价值的方向。

【成功介入并解决“复杂网络系统同步性与鲁棒性”项目核心理论难点,任务进度(4\/5)。阶段性贡献评定中……】

系统的提示音再次响起,确认了他在交大网络项目上取得的决定性理论突破。他构建的那套基于实空间RG的异质非线性网络分析框架,虽然还有许多细节需要完善,但其核心思想和方法,已经成功地解释了交大团队提供的多组关键仿真数据,预测了以往理论无法捕捉的同步相变点和鲁棒性临界行为,为理解复杂网络的深层机理提供了全新的、强有力的数学语言。

四项目标,已然达成!

站在第四个项目的终点回望,这个春季学期已然过半,而张诚取得的成果堪称辉煌。两篇顶刊数学论文的发表(接收),四个重要科研项目的核心理论突破,涉及能源材料、智能机器人、量子计算、复杂网络等多个前沿方向,并且都导向了高水平论文或重大实验进展。

他的“学术枢纽”之名,已然实至名归。通过他这座桥梁,深奥的数学工具正在以前所未有的速度和深度,渗透并变革着各个工程与科学领域。

然而,张诚的脸上并无太多轻松之色。系统任务的进度条显示(4\/?),还差最后一个项目就能合格,而SSS级的评定,要求的是数量、质量、贡献和成果影响力的极致。他目前完成的四个项目,虽然个个重要,贡献突出,但若要冲击那百万积分与经验值的巅峰,或许……还需要一个更具分量、影响力更广泛的压轴之作。

他的目光,再次落回了那份仿佛永无止境的项目清单。眼神锐利如鹰,搜寻着那条能助他一步登天,触及SSS级评价的……最终猎物。

第五个项目,必须精挑细选,必须一击必中。

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