西蒙斯基金会在支持基础科学研究方面投入了大量的资金。同时它在资助科学研究的形式上也有很多创新。
何院耀，西北大学现代物理研究所(heyuanyao@nwu.edu.cn)
秦明普，上海交通大学物理与天文学院(qinmingpu@sjtu.edu.cn)
西蒙斯基金会熨斗研究所（Flatiron Institute）：一种新的科学研究机构
西蒙斯基金会由Jim Simons及其夫人Marilyn Simons于1994年在纽约市成立。该基金会主旨为支持数学及基础科学研究，目前主要资助四个方向——数学和物理科学、生命科学、自闭症研究以及科普和教育。科普杂志Quanta Magazine[1]和介绍自闭症研究进展的在线杂志Spectrum[2]由西蒙斯基金会创办。此外西蒙斯基金会也长期资助预印本网站arxiv.org[3]。截止2021年12月31日，基金会总资产为51.8亿美元，相比2020年12月31日的45.1亿美元有所增长。2021年西蒙斯基金会以各种形式在科学研究的资助投入约为4亿美元。西蒙斯基金会的绝大部分收入来自于投资，2021年的总投资收益为11.6亿美元[4]。过去人们对于Jim Simons的了解主要来自于著名的Chern-Simons理论以及关于他在对冲基金领域成就的报导[5]。但本文主要介绍西蒙斯基金会对基础科学研究的支持。目前西蒙斯基金会资助科学研究的形式多样，本文将重点介绍西蒙斯基金在总部成立的科研机构——熨斗研究所（Flatiron Institute）[6]。
前文以多电子问题合作组为例介绍了西蒙斯基金会科研合作组[7]。科研合作组这样的模式打破了传统的科研资助形式，取得了很大的成功。在科研合作组运行期间，西蒙斯基金会并没有停留于只资助外部研究人员，而是进一步于2016年在总部成立了属于自己、专注于计算科学的研究所——熨斗研究所。
熨斗研究所的创建有一段传奇的过程。它的成立可以追溯到2012年西蒙斯基金会在纽约州Buttermilk Falls酒店举办的一次非正式会议[8]。在这次会议中，西蒙斯基金会邀请了近20位知名科学家为其在未来科学研究中的资助方向建言献策，这其中包括一位来自杜克大学的著名数学家Ingrid Daubechies[9]。这位数学家最初给Jim Simons的建议是在杜克大学建立一个专注于数据分析的研究中心，但是Jim Simons经过思考做了一个更大的尝试——在西蒙斯基金会内部成立这样一个研究机构——这便是2013年底成立的西蒙斯数据分析中心（Simons Center for Data Analysis [SCDA]），也是熨斗研究所中计算生物研究中心的前身。SCDA在之后几年取得的成功让Jim Simons很自然地希望将类似的做法推广到其他学科，最终于2016年在纽约市成立了类似于贝尔实验室的熨斗研究所。熨斗研究所目前的组成包括负责提供和维护超算资源的科学计算核心（Scientific Computing Core [SCC]）和五个计算科学研究中心：计算生物学中心（Center for Computational Biology [CCB]，2013）、计算天文物理中心（Center for Computational Astrophysics [CCA]，2016）、计算量子物理中心（Center for Computational Quantum Physics [CCQ]，2017）、计算数学中心（Center for Computational Mathematics [CCM]，2018）、计算神经学中心（Center for Computational Neuroscience [CCN]，2021）。熨斗研究所践行了中国道家哲学中“大隐隐于市”的思想——它坐落于纽约曼哈顿第五大道，与西蒙斯基金会总部隔第21街相望。自成立以来，熨斗研究所经历了快速的发展，如今已经成为一个超过200人（每个研究中心50人左右）、主要由杰出科学家和博士后组成的世界知名的计算科学研究所。
作为西蒙斯基金会旗下的一个组织，熨斗研究所在其网站主页[10]的醒目位置标注着“研究所的使命是通过数据分析、理论、建模和模拟等计算方法来推动科学研究”（The mission of the Flatiron Institute is to advance scientific research through computational methods, including data analysis, theory, modeling and simulation）。将生物、天文、物理和数学等基础学科中的科学计算作为主要研究内容，既是熨斗研究所的特色，也符合当代科学技术发展的趋势。就凝聚态物理学科而言，量子多体问题的求解是当前理论研究的主要内容之一，例如对高温超导和量子自旋液体机理的研究。量子多体问题绝大部分不能被解析求解。而得益于近几十年来各类新概念、新算法的提出以及超级计算机算力的快速发展，数值计算逐渐成为求解量子多体问题的重要研究手段。此外，生物学和天文学领域有大量的实验观测数据（生物学中的DNA序列和天文学中的望远镜观测数据）需要运用大数据分析和建模加以研究；数学领域中图像与信号处理、机器学习等方向也需要大量的科学计算研究。这些研究方向与西蒙斯基金会于2012年开始资助的西蒙斯科研合作组有较大重合，因而熨斗研究所最早招募的成员大多来自于参与西蒙斯科研合作组的课题组。
熨斗研究所中各个研究中心的人员组成包括中心主任（Director和Co-director）、杰出研究科学家（Distinguished Research Scientist）、高级研究科学家（Senior Research Scientist）、研究科学家（Research Scientist和Associate Research Scientist）、数据科学家（Data Scientist）以及博士后研究员（Flatiron Research Fellow）。其中，研究科学家主要担任课题组组长（Group Leader），并领导某一个方向或问题的研究；数据科学家的主要职责是将研究中使用的数值算法编写成开源软件并兼顾日常维护和升级；博士后则是实际项目研究中的主力军。博士后虽然名义上有一位主要合作导师，但是可以和研究所内外的任何研究人员展开合作。熨斗研究所在学术研究中几乎为研究人员创造了最大限度的“自由”：学术自由——虽然熨斗研究所强调研究人员专注于相关领域内的重难点问题，但是对具体的研究题目没有限制，且没有明确的关于发表文章的考核要求；计算资源自由——熨斗研究所拥有足量的超算资源，同时SCC有非常专业的团队提供技术保障；科研经费自由——研究科学家不需要再申请外部经费，每名博士后每年也有一万美元的独立经费用于参加学术会议和邀请同行到研究所进行交流访问。除了上述专职研究人员外，近年来熨斗研究所也开始和纽约大学、哥伦比亚大学等当地高校联合培养博士研究生。
笔者之一（何院耀）曾在熨斗研究所计算量子物理研究中心（CCQ）从事了三年多（2018.09～2022.01）的博士后研究工作，在其自由的学术研究氛围中受益颇多。CCQ由西蒙斯基金会多电子问题合作组演化而来，目前有近50名研究人员，主要专注于凝聚态物理和量子化学中多体问题的数值计算研究，涉及的数值方法包括密度矩阵重正化群（DMRG）及张量重正化群（TRG）、量子蒙特卡洛（QMC）、动力学平均场（DMFT）、机器学习和量子化学相关方法等。研究的物理内容涵盖了自旋和费米子格点模型、相互作用费米气体、原子分子和强关联电子材料等几乎所有的量子多体问题。自成立以来，CCQ的研究人员已经在多体数值算法的发展[11]、Hubbard模型中的条纹序和赝能隙[12]、关联电子材料中的磁性与超导性质[13]、魔角石墨烯[14]、非平衡体系的多体数值算法和物理性质研究[15]、用机器学习方法研究量子多体系统[16]等众多方向上取得了重要进展。截至目前，CCQ的研究人员共发表各类高水平研究论文超过500篇，其中物理学领域顶级期刊Physical Review Letters和Physical Review X超过70篇。
除了科学研究，CCQ的另一项重要任务是开发和维护量子多体数值算法的开源软件（这也是Data Scientist的主要日常工作），其中和DMRG与TRG算法相关的ITensor程序包[17]、和DMFT算法相关的TRIQS软件[18]都已经较为成熟并被国际上众多课题组使用，极大地推动了相关算法的广泛应用和进一步发展；关于辅助场量子蒙特卡洛算法的程序包AFQMCLab和用于研究分子体系和低维材料中非平衡物理的程序包Octopus目前正处于开发中。专职开发服务于科学研究的开源软件在传统的高校和研究所往往很难开展，因为这类工作通常没有直接的文章产出。熨斗研究所设置数据科学家的职位，可以让研究人员专心从事开源科学软件的开发和维护工作。
自2017年成立以来， CCQ已逐渐成为量子多体数值计算领域的知名研究中心。除了前述的自由环境，CCQ的成功主要得益于以下几个方面。首先，CCQ的研究科学家大多长期专注于量子多体算法相关研究（甚至是某些算法的开创者），有着非常良好的学术声誉。CCQ关于博士后的筛选也是非常严格，他们大部分在相关领域已经崭露头角。此外，CCQ也是一个非常开放的研究中心，经常会有知名学者到访。在CCQ，因为研究人员都从事量子多体相关的研究，所以讨论交流与合作十分方便。其次，CCQ有定期的学术报告和不定期举办一些小规模的Workshop。每两周会有一次Quantum Cafe，邀请研究所外部的杰出科学家做前沿学术讲座。另外CCQ也会和西蒙斯多电子合作组联合举办年会和暑期学校。这些丰富的学术活动为科研人员提供了不可多得的交流平台，有助于他们了解和学习凝聚态理论和数值研究的最前沿进展。
作为结尾，笔者将分享一些在CCQ做博后时的有趣经历。2018年圣诞假期之前CCQ组织了一次成员会议（Staff meeting），其中有个环节是“Meeting with Jim”。成员会议通常会选出一人作为代表，就某一前沿问题做深入浅出的报告。作为曾经的数学家，Jim Simons也是听众之一。这次会议的报告人是CCQ的主任Antoine Georges。他报告的题目是激子绝缘体（Exciton Insulator）。Antoine Georges激情澎湃地从最基本的能带理论讲到Exciton的定义，再到他们在这方面的最新研究成果。然而最让笔者惊讶的是，年过80岁的Jim Simons一直在提问，而且大多是非常专业的问题——那一刻能感受到Jim Simons似乎回到了他作为数学家的青年时代，也深刻感受到了他对科学的兴趣和热爱。此外，令笔者记忆犹新的是Jim Simons在西蒙斯基金会的月度会议说的最多的一句话：“和优秀的人在一起工作”。正是Jim Simons这种对于基础科学的好奇心和对杰出科学家发自内心的尊敬，才有了西蒙斯基金会和熨斗研究所。
总结：熨斗研究所是西蒙斯基金会和Jim Simons的一次伟大与成功的尝试。熨斗研究所有很多不同于以往研究机构的要素：非盈利性的基金会、对于科学研究有浓厚兴趣的捐赠者、丰厚的科研条件、对研究人员极大的尊重和最大限度的学术自由、专注于基础科学中的计算科学研究。笔者曾偶然听说有学术界的同行质疑熨斗研究所能否持续运行下去。实际上Jim Simons也考虑到了这一点，目前西蒙斯基金会已经将熨斗研究所所在大楼的租赁合同延长到了50年，Jim Simons曾在基金会2019年的年终大会上打趣说，“我肯定看不到这个合同再一次延长，但是（这个合同）肯定会再次延长”。熨斗研究所能否取得像贝尔实验室那样的辉煌成就目前还不得而知。但随着计算科学在基础科学研究中扮演越来越重要的角色，熨斗研究所也将会在发展中续写传奇。熨斗研究所这样的组织形式作为传统研究机构的补充有其独特的优势，对我们或许有一定的借鉴意义。
致谢：感谢西蒙斯基金会熨斗研究所计算量子物理研究中心张世伟（Shiwei Zhang）教授对本文提出的有益建议。
参考文献：
- [1] https://www.quantamagazine.org/
- [2] https://www.spectrumnews.org/about/
- [3] https://arxiv.org/
- [4] https://annualreports.simonsfoundation.org/2021/financials/
- [5] https://www.newyorker.com/magazine/2017/12/18/jim-simons-the-numbers-king
- [6] 熨斗研究所（Flatiron Institute）取名于研究所所在的熨斗街区（Flatiron District）。熨斗街区则的名字来源于在该街区的熨斗大楼（Flatiron Building）。熨斗大楼是一栋位于纽约第5大道175号的一栋22层的形似熨斗的地标建筑。
- [7] 秦明普，何院耀，杂志名称 (2022)。
- [8] https://www.tatewilliams.org/blog/2019/8/24/you-get-ideas-flatiron-institute-brings-biologists-astrophysicists-and-coders-under-one-roof
- [9] 信号处理领域的多贝西小波（Daubechies Wavelet）就是以Ingrid Daubechies的名字命名。
- [10] https://www.simonsfoundation.org/flatiron/
- [11] Yuan-Yao He, Hao Shi, and Shiwei Zhang, Phys. Rev. Lett. 123, 136402 (2019).
- [12] Alexander Wietek, Yuan-Yao He, Steven R. White, Antoine Georges, and E. Miles Stoudenmire, Phys. Rev. X 11, 031007 (2021).
- [13] Mingu Kang, Shiang Fang, Jeong-Kyu Kim, et al., Nature Physics 18, 301–308 (2022).
- [14] Jie Wang and Zhao Liu, Phys. Rev. Lett. 128, 176403 (2022).
- [15] M. Claassen, D. M. Kennes, M. Zingl, M. A. Sentef, A. Rubio, Nature Physics 15, 766–770 (2019).
- [16] Giuseppe Carleo, Kenny Choo, Damian Hofmann, et al., Software X, 10, 100311 (2019).
- [17] https://itensor.org/
- [18] https://triqs.github.io/triqs/