量子计算，多学科交叉的魅力

光子盒研究院出品

量子计算与量子信息在过去二十年与理论计算机科学的深度结合，发生了巨大而深刻的变化。如今量子科技已经不再是物理学的分支，而是一个综合的学科：它的进一步发展需要有物理、计算机、数学、工程等不同背景的人通力合作。

与国际研究机构不同的是，目前国内该行业的科研人员以物理背景的居多，而计算机专业科研人员从事量子计算理论的很少。南京大学计算机科学与技术系的姚鹏晖副教授便专注于这一领域。姚教授从计算复杂性、量子算法与量子信息论入手，如今已经在算法和通信复杂性上做出了一系列重要成果。

2021年，姚鹏晖课题组的论文《共享带噪音最大纠缠态的非局域量子博弈是可判定的》撰写发布：考虑了一类特殊的非局部博弈，允许玩家共享无穷多个拷贝带噪音的最大纠缠状态。证明了这样的博弈是可判定的，存在一个近似到任意小的精度的算法。结合Ji、Natarajan、Vidick、Wright和Yuen最近的突破性工作MIP*=RE，这个结果意味着非局域博弈对于共享纠缠态的噪音是不鲁棒的。这一证明结构建立在关于联合分布的非交互式模拟的可判定框架之上，并对其进行了推广；开发了一系列关于矩阵空间傅里叶分析的新技术，并证明了随机算子的量子不变性原理和超压缩不等式。这一成果先后在AMSS-UTS量子计算联合研讨会、（济南）算法与计算理论学术研讨会等学术会议分享，随后被SIAM Journal of Computing收稿并即将发布。这一新颖的研究将在量子信息理论、量子复杂性理论中可能还有更多潜在应用。

近日，光子盒有幸联系到了《量子计算：一种应用方法》的姚鹏晖副教授，并对其进行了访谈。

1. 先简单谈一下求学和工作经历？

我本科是华东师范大学，数学专业。后来在中科院读了硕士，之后在新加坡国立大学量子技术中心读了博士；博士毕业后，先后在荷兰国家数学中心、加拿大滑铁卢大学量子计算研究所、美国马里兰大学量子信息与计算机科学联合中心做博士后研究，2018年回国，加入南京大学。

2. 这些经历中研究方向、研究内容有变化吗？

有一些变化。博士期间主要跟导师合作，刚开始主要还是做经典计算理论相关的，后来慢慢转向量子；到了加拿大，基本上就全部投入去做量子计算了，回国前做计算机相关的；回国后开始跟物理实验的合作，做一些物理方面的了。

3. 能简单介绍一下近期动态吗？

现在组里有五个博士生，只有一年是高年级的，还有几个硕士生和本科生。所以大部分精力是带学生做课题。我们研究都是跟量子计算相关的课题。现在带学生跟一些物理、数学的研究组，还有国外的一些朋友合作。希望能够拓展下组里学生的知识面和见识。

4. 当初为什么会选择加入南京大学，学校提供了哪些支持吗？

南大计算机系有做理论计算机科学的传统，系里也非常支持这个方向。理论计算机科学有点特殊，它更偏向于数学，文章出的比较慢，所以需要一个比较宽容的环境能让我们静下心来做。

5. 团队有开展国内、国外合作吗？之前与IBM的不愉快有影响到您的国际合作吗？

我们现在跟清华、南加州大学、哈佛一些高校都还在合作。IBM那个合作者其实是我在荷兰时候的师弟，私交挺好的。现在我跟他还有一些合作，我们最近还一起又发表了一篇论文。但目前仅限于非量子计算的一些课题的合作。

6. 目前有和学生共同取得一些研究成果吗？

有的，我和我的第一个博士生做了一个量子计算理论的结果

（https://arxiv.org/abs/2108.09140）。目前只有网上的预印版，文章已经被理论计算机科学的权威期刊SIAM Journal of Computing接受了，不过离见刊可能还需要排队排一阵子。这个对我来说特别有意义的工作。这是我第一次带学生做研究，而且研究的问题，用的工具跟我之前的研究课题差别很大。我觉得最后能做出来还是很神奇的。

还有一些量子分布式算法的结果也已经发表了。现在组里的几个学生也做出了一些结果，有的已经在投，有的还在写论文。

7. 团队目前是主要在经典计算机上研究量子算法相关吗，南京大学有量子计算机吗？

我的团队现在主要是是研究量子计算机的计算能力，具体地说，如果现在有一台大规模的量子计算机，你能用它做什么，有什么是它不能做的。这是一个纯理论的问题。更接近现实一点就是现在实验室有的小规模量子计算机能做什么，不能做什么。研究能做什么主要是看它会有什么优势；研究它不能做什么主要就是从密码、安全的角度考虑，希望能够构造一些量子计算机也不能破解加密的方案。

据我所知，我们学校物理系有些研究团队已经小型的量子计算机，但具体做到几个量子比特我不是特别清楚。我们学校的现代工程与技术学院有一些团队有光学平台，上面可以实现一些小规模的量子算法。

8. 团队目前在科研上有遇到什么瓶颈或者问题吗？

没有特别明显的感觉到瓶颈。可能是因为做理论研究的，不涉及到建实验室之类的，所以感觉还挺顺利；之前有些困难是刚当老师的时候，没有带学生的经验，不知道如何给学生设计一些合适的课题，会给学生一些我自己想了很多年想不出来的问题，现在慢慢摸索出一些经验了。

9. 参照您早年在新加坡、加拿大、美国等国的学习工作经历，对不同国家的量子科技研究有什么切身体会吗？

我感觉得国外在推进学科交叉方面更加深入。比如之前我主要待在量子研究中心，有物理的，计算机的，数学的，工程的研究员在一个楼里面，每天跟这些人一起听报告，一起吃饭，学术报告各式各样，可能今天有一个非常数学的报告，明天一个讲怎么做原子钟的，这种环境下，大家了解了不同学科，跨学科合作就很自然地发生了。

10. 这样是否会感受到，国外在量子科技方面的发展相较中国，会更加全面、综合呢？或者说中国在量子科技发展上还有哪些不足吗？

确实国外量子科技发展更加综合，不同专业背景的人很多。比如在马里兰大学QuICS中心，里面一半多的老师和学生都是计算机背景的。然后他们中心楼下一层是一个联合量子研究所JQI，里面基本上都是物理背景的。这样他们合作起来就非常容易。像加拿大量子计算研究所IQC,新加坡的量子技术中心CQT基本上都是这个模式。

11. 一些西方国家（比如美国）的量子信息科技发展主要推动者是科技公司，中国则是学术机构推动，如何看待这种差异呢？

我不觉得美国量子信息技术的主要推动者是科技公司。我觉得那边也是学界和业界起头并进。像美国的NSF、能源部、国防部这几年给美国高校投了很多钱，指定这些高校招做量子的老师，招不到不给钱。只是这些新闻只是学术界比较关心，外界知道的比较少。

不过美国头部那几个公司的量子计算研究也是非常厉害的，比如IBM，谷歌，微软。他们也很擅长发新闻,所以外界感觉就是这些大公司在推动量子计算的研究。

12. 结合国内外发展现状，您认为量子科技将来有哪些应用场景呢？

现在学术界比较关注的，目前量子计算机如果规模稍微大一些，就可以用来模拟一些经典计算机不能模拟的量子系统，这样有希望可以用来解决一些小分子药物设计的问题。然后量子计算机在一些数值计算问题上可以指数加速，这样可以应用在一些大规模计算的问题上，比如天气预测等等。还有量子密码方面，大家已经在研究如何对于量子计算机也是安全的密码体系，现在密码学有专门的一个分支叫后量子密码学在研究这个。

我认为短期内量子科技的很多应用不是大家直接能看得到的。比如它让一些问题算的更快，更安全了。我最近比较感兴趣的是如何利用量子计算机帮助解决一些化学中一些计算问题，当然，这可能也是大家不太感觉得到的。

我主要关注一些特殊哈密顿系统的量子系统的量子算法，能否高效求解，这些特殊的哈密顿系统从特定的化学结构，这个可能比较技术了。

最近和我的一个同事，还有香港大学的一个团队在合作，关注一些量子测量和机器学习方面的，量子测量主要是物理专业的人在做，机器学习主要是计算机的人在做。我们发现这两个方向研究的不少问题其实是很像的。我们主要是看机器学习的方法能不能应用到量子测量上面。

13. 您对存在的“量子炒作”现象怎么看待呢？

我觉得这是一个方向火起来之后很难避免的。大概2014、2015年左右谷歌，微软开始大规模投入量子技术之后，明显感觉到这方面的新闻越来越多。然后这些新闻一传十十传百，有的就越来越玄了。只要量子科技一直在推进，慢慢大家还是会看到这个学科是在快速进步的。

14. 现在全球各国都大力宣传、发布政府公告投资几十亿于量子科技，请问您怎么看待这一现象？或者说为什么会投入几十亿在量子科技发展上？

量子科技不仅包括量子计算，还有量子传感，量子通信等等。我借用我之前听到的一个观点，目前是第二次量子革命，第一次量子革命让我们认识到微观世界是由量子力学来描述的，那时候我们只能被动地用量子力学解释一些现象。现在第二次量子革命我们主动地利用量子力学来设计一些我们需要的东西。

所以我觉得推动量子科技发展，不仅仅是说要做出量子计算机，它的相关工艺、技术的发展在各个方面都有很大的作用。

15. 目前越来越多的科学家参与或创立商业公司，您有这个打算吗？

目前没有，我还是比较喜欢在高校的环境。

16. 您有希望在科研生涯实现何种成就吗？

量子计算有不少领域现在还是空白，有很多没有被解决的问题。我希望能够在一个领域建立理论，系统地解决里面的一系列问题。当然，如果这个理论还能在实验上实现，就更好了。

17. 关于您的最新译作《量子计算：一种应用方法》，有什么想对读者说的吗？

目前市面上量子计算的教材要么偏数学理论，要么偏重物理原理与实验，这本书是写给计算机背景的从业人员。所以，如果你想了解下量子计算和常用的量子算法，尤其是这些算法程序实现，但不想过分纠结数学证明，或者物理原理的话，这本书是个很好的选择。

姚鹏晖，南京大学副教授；2013年博士毕业于新加坡国立大学CQT，之后先后在荷兰国家数学与计算机中心（CWI）、加拿大滑铁卢大学量子计算研究所（IQC）、美国马里兰大学量子信息与计算机科学联合中心（QuICS）从事博士后研究。在STOC、FOCS、CCC等理论计算机科学国际顶级会议和信息论顶级期刊IEEE Transaction on Information Theory发表多篇论文。

具体研究方向：

1.量子计算复杂性与量子信息理论 

2.经典与量子信息论 

3.理论计算机科学和量子计算中的傅里叶分析  

4.去随机化

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