美國物理學(xué)會簡訊雙月刊(7月-8月)PDF 文件
2020年10月，美國物理學(xué)會宣布，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陸朝陽教授由于其 “對光量子信息科學(xué)，尤其是固態(tài)量子光源、量子隱形傳態(tài)和光量子計(jì)算的突出貢獻(xiàn)” 獲得了2021年美國物理學(xué)會羅夫·蘭道爾和查爾斯·本內(nèi)特量子計(jì)算獎。今年7月，美國物理學(xué)會按照慣例電話采訪了獲獎?wù)?。記者Sophia Chen在美國物理學(xué)會簡訊雙月刊（7月-8月）和網(wǎng)站（APS News）發(fā)布了報(bào)道。陸朝陽于2003年開始了他的研究生涯，當(dāng)時(shí)他是著名物理學(xué)家、中國科大潘建偉教授的學(xué)生。在這里他獲得了碩士學(xué)位，然后前往劍橋大學(xué)攻讀博士學(xué)位。2011年，他回到母校任教。在不到二十年的時(shí)間里，陸朝陽親身經(jīng)歷了量子科技領(lǐng)域從一個小型的學(xué)術(shù)團(tuán)體成長為一個涉及數(shù)十億美元投資的國際舞臺的過程。
陸朝陽(圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
陸朝陽見證了量子科技發(fā)展中的一些最耀眼的瞬間。作為潘建偉團(tuán)隊(duì)成員，他參與了世界上第一顆量子衛(wèi)星 “墨子號” 項(xiàng)目，該衛(wèi)星將單光子編碼的信息從近地軌道傳輸?shù)降孛妗?020年，陸朝陽和同事在Science上發(fā)表文章宣布，“九章”量子計(jì)算原型機(jī)使用76個光子在200秒內(nèi)執(zhí)行一項(xiàng)算法，而經(jīng)典超算需要幾億年的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性的演示。今年5月，在由APS、OSA和IEEE聯(lián)合舉辦的CLEO國際會議上，陸朝陽關(guān)于“九章”的受邀報(bào)告被授予James P. Gordon Memorial Speakership。當(dāng)你2003年剛開始從事量子研究時(shí)，你們實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)是什么？那時(shí)候量子信息科學(xué)遠(yuǎn)不如現(xiàn)在受人關(guān)注，投入資金也少得多。當(dāng)時(shí)我們認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量子計(jì)算是一個遙遠(yuǎn)而富有雄心的目標(biāo)，因此我們研究的重點(diǎn)是先踏踏實(shí)實(shí)地解決量子信息和量子計(jì)算中的基礎(chǔ)問題，例如，如何連接多個量子比特來構(gòu)建量子糾纏和量子邏輯門，如何演示量子算法的原理性驗(yàn)證，以及研究一些量子計(jì)算的玩具模型（toy model）。潘教授首先給我布置了糾纏六個光子的任務(wù)。后來，我們在這個平臺上演示了Shor分解算法，利用四個光量子比特把15分解為5和3，現(xiàn)在看起來非常簡單，但我們是國際上第一個用量子糾纏來完成這個任務(wù)的。后來，我們又演示了如何將單個光子的狀態(tài)編碼到多個光子的糾纏態(tài)上去，通過這樣的量子糾錯編碼，即使光子在傳輸過程中丟失，仍然可以恢復(fù)量子信息。我們還用多光子糾纏態(tài)模擬了一種叫做“任意子”的準(zhǔn)粒子，證明了它既不是玻色子，也不是費(fèi)米子，而是介于兩者之間。這是第一個基于光子的量子模擬實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)在，中國科大團(tuán)隊(duì)也非常專注于實(shí)用化量子信息技術(shù)。這種理論向工程的轉(zhuǎn)變是從什么時(shí)候開始的？2011年是重要的一年，潘建偉教授領(lǐng)銜的“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目正式立項(xiàng)。2013年，連接北京和上海的量子京滬干線項(xiàng)目也獲得批準(zhǔn)。最近，你和同事們展示了使用光子的量子計(jì)算優(yōu)越性，包括谷歌在內(nèi)的量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)的意義何在？量子優(yōu)越性實(shí)驗(yàn)使我們相信，量子計(jì)算機(jī)確實(shí)能夠解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。谷歌宣布在2019年量子優(yōu)越性后，其他研究人員后來聲稱他們會設(shè)計(jì)出優(yōu)于谷歌量子計(jì)算機(jī)的經(jīng)典方法。這說明量子計(jì)算優(yōu)勢性是一個不斷變化的目標(biāo)？如同 “九章” 論文里面寫的一樣，量子計(jì)算優(yōu)勢性不是一蹴而就的。這將是量子硬件和經(jīng)典模擬之間的長期競爭的動態(tài)結(jié)果。對于這個重要的學(xué)術(shù)目標(biāo)，量子科學(xué)家和經(jīng)典計(jì)算機(jī)科學(xué)家之間會進(jìn)行不斷的比賽。經(jīng)典計(jì)算機(jī)科學(xué)家們很聰明，他們會持續(xù)地致力于設(shè)計(jì)更快的經(jīng)典算法來想辦法挑戰(zhàn)量子科學(xué)家。
“九章”干涉儀部分示意圖
因此，仍然有可能有人開發(fā)出一種經(jīng)典算法，其性能超過你的量子計(jì)算機(jī)？理論上存在這樣的可能性（雖然，實(shí)際上還沒有出現(xiàn)）。我們也非常希望和鼓勵經(jīng)典計(jì)算機(jī)科學(xué)家設(shè)計(jì)出更好的經(jīng)典算法，達(dá)到他們的極限。同時(shí)，量子科學(xué)家通過改進(jìn)量子硬件和升級更大規(guī)模的量子處理器（例如，近期 “九章” 已經(jīng)升級到了113個光子），獲得隨著量子比特?cái)?shù)目增加而指數(shù)級增長的量子計(jì)算能力，我們相信，最終，量子并行性會產(chǎn)生經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法企及的算力。量子計(jì)算往前走，面臨的巨大挑戰(zhàn)是什么？我們的第一個目標(biāo)是制造一臺任何經(jīng)典計(jì)算機(jī)都無法模擬的量子計(jì)算原型機(jī)。第二個目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)量子模擬的近期應(yīng)用。最后一個目標(biāo)是研制出一臺容錯量子計(jì)算機(jī)。實(shí)現(xiàn)第一個目標(biāo)會給我們第二個和第三個目標(biāo)帶來信心，這是學(xué)術(shù)上非常有意義的階段性成果。這也是我們在中文里說的 “沿途下蛋”，或者說是在攀登珠穆朗瑪峰的沿途中樹立一個一個的里程碑。
量子計(jì)算分步走(版權(quán)來自Sheldon和墨子沙龍)
這一策略將有助于保持該領(lǐng)域的良性發(fā)展。通過“沿途下蛋”，學(xué)術(shù)界坦誠地告訴公眾什么是當(dāng)前的量子計(jì)算技術(shù)能做到的事情，哪些是做不到的事情，哪些是可考核的目標(biāo)，哪些是忽悠，從而盡力避免這個領(lǐng)域被炒作。我感覺量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)化的炒作是目前全球存在的問題。近年來量子計(jì)算初創(chuàng)公司越來越多。
復(fù)旦理論物理報(bào)告會，蔻享在線視頻截圖
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你如何看待中國目前的量子計(jì)算初創(chuàng)公司？到目前為止，我不確定這些量子計(jì)算初創(chuàng)公司是否已有真正可行的技術(shù)路線和實(shí)力來制造實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算下一個應(yīng)該下的蛋是什么？下一個最快下的 “蛋” 可能是使用含噪聲的中等規(guī)模量子設(shè)備（NISQ）的應(yīng)用。量子計(jì)算最有前途的近期應(yīng)用應(yīng)該是研究量子物理系統(tǒng)本身——多體問題、量子化學(xué)和量子材料。加拿大一家名為仙樂都（Xanadu）的公司提出了許多與玻色采樣相關(guān)的應(yīng)用。這些應(yīng)用與圖論、量子化學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)有關(guān)。我們正在研究這些方案是否真的可行。去年，我們又開始了新方向的初步探索，例如光鑷中的原子陣列，等等。你在劍橋大學(xué)攻讀博士學(xué)位。你如何看待中國與英國的不同工作方式？沒有太大區(qū)別。我們團(tuán)隊(duì)中的大多數(shù)教職員工都有海外留學(xué)經(jīng)歷，當(dāng)我們回到中國時(shí)，我們帶回來了海德堡、劍橋、斯坦福等的有益理念和工作方式?？赡艿囊粋€區(qū)別是，在中國，傳統(tǒng)孔孟文化讓我們更趨于中庸與溫和，尋求平衡，例如，研究生相對來說不太愿意挑戰(zhàn)老師。你已經(jīng)在這個領(lǐng)域工作了將近二十年了。它在多大程度上達(dá)到了你的期望？回顧這 10 年，總體上我對整個量子信息領(lǐng)域的科學(xué)家們所取得的成就感到驚訝。人們往往對未來一年的目標(biāo)過于樂觀，但對未來10年的目標(biāo)過于悲觀，基于此，我也對未來10 年保持樂觀。
本文首發(fā)于公眾號《光子盒》，《賽先生》獲權(quán)轉(zhuǎn)載。
資料來源：
https://www.aps.org/publications/apsnews/202107/upload/July-August-2021.pdf
https://www.aps.org/publications/apsnews/202107/quantum.cfm
https://www.osa.org/en-us/foundation/grants/james_p_gordon_memorial_speakership_program/
