中美欧科学家齐聚香港，探讨量子计算前沿问题

10月15日下午，来自中国、美国和欧洲的顶尖量子计算领域的专家在香港的2023未来科学大奖周科学峰会上，共同探讨量子计算领域的最新进展和前沿问题。会议由中国科学院院士潘建伟召集和主持，吸引了众多关注量子计算的研究者和感兴趣的观众。

从左到右依次是，潘建伟，Rainer Blatt，Immanuel Bloch，Christopher Monroe，段路明，陆朝阳（图源：未来科学论坛）

在主题演讲环节，德国马克斯·普朗克量子光学研究所科学主任，慕尼黑大学实验物理学教授Immanuel Bloch介绍了用原子、分子和光子进行量子模拟的新途径。美国科学院外籍院士、奥地利因斯布鲁克大学实验物理学教授Rainer Blatt介绍了利用囚禁Ca+离子串进行量子计算和量子模拟的研究进展。清华大学基础科学讲席教授段路明介绍了他们团队利用囚禁离子做量子计算扩展的最新进展。中国科学技术大学物理学讲席教授陆朝阳则回顾了团队从2013年开始利用半导体量子点单光子源做量子计算的历程，包括刚刚发布的255个光子的量子计算原型机九章三号的工作。美国科学院院士、美国杜克大学电气与计算机工程和物理学Gilhuly Family Presidential杰出教授Christopher Monroe则介绍了量子计算从物理学到工程再到应用的过程。

在随后的对话环节中，中国科学技术大学常务副校长、中科院量子信息与量子科技创新研究院院长潘建伟和五位嘉宾就量子计算的前沿问题进行了讨论。

量子模拟与凝聚态物理

对于量子模拟如何在高温超导问题和新材料设计中发挥作用，Immanuel Bloch教授认为，一个挑战在于如何增加量子模拟系统的复杂性，尤其是在调控系统中引入新的控制手段。他分享了一个实际例子，而这个例子在冷原子领域已经被预测，与高温超导材料的新的配对机制有关。他还指出，最终的问题在于如何将量子计算中拥有的可编程性和控制能力更多地引入到量子模拟的世界，而这需要理论。他乐观地表示：“我认为我们有很多优秀的模型系统……可以在这些系统上进行测试。”

大学与产业的关系

一个引人瞩目的事实是，随着量子计算研究领域在近些年的进展，尤其是在谷歌、中国科学技术大学等团队实现对经典计算的量子优越性之后，量子计算正在成为一个新兴产业，全球加大了对于量子计算的产业投入，多家量子计算公司如雨后春笋般冒出。

值得一提的是，此次做主题演讲的五位科学家，其中有三位参与创办了量子计算的创业公司，将量子计算从实验室推向市场。例如，Rainer Blatt和量子计算领域的两位先驱 Thomas Monz和Peter Zoller2018年在奥地利成立初创企业AQT，使用捕获离子技术制造“通用量子信息处理器”。Christopher Monroe是美国首家量子计算上市公司IonQ的联合创始人兼首席科学家。段路明则带领清华大学量子信息中心团队在2022年创立了国内首家专注于离子阱量子计算技术路线的“华翊量子”，并兼首席科学家。

那么，随着产业界大力将量子计算推向市场，大学实验室是否有机会参与竞争？Rainer Blatt教授认为，大学实验室和公司在推动技术发展方面发挥着互补的作用，公司在推动技术方面的贡献至关重要，但同时大学实验室也扮演着推动基础研究的角色。

他补充说，量子计算的可扩展性是一个不容易的问题，其能够实现，但首要问题是需要一种能够证明我们在算法方面能够取得让客户愿意为其支付的进展。此外，他还强调了量子纠错的重要性，“这需要与大学合作开发和实施”。

“大学仍然有很多基础研究的空间。这就是为什么所有的公司仍然与一些学术机构有着紧密的联系和合作。”Rainer Blatt说。

离子阱量子计算的挑战

目前实现量子计算机的物理系统主要有七种技术路线，包括离子阱、超导电路、冷原子、光子、拓扑材料、固体自旋、半导体量子点等。其中，清华大学段路明教授在2022年首次在实验上实现了拉比-哈伯德模型的量子模拟，通过16个离子的自旋与声子模式实现了257（约14亿亿）的等效希尔伯特空间维度中的量子模拟，经典计算机无法精确模拟。

在讨论中，段路明解释了离子阱技术路线与其他方法的互补性。他指出，离子阱的挑战在于移动离子是一个缓慢的、费时的步骤，而且还需要额外的冷却，这同样耗时。另外，移动离子的复杂性将随着离子数量的增加而增加。

对于这一挑战，段路明团队的方法是直接使用更大的离子晶体。“这是提高最终计算规模的成本效益最高的方式。”段路明解释说。他承认，这需要解决多体控制的问题，而这并不容易。

“但我认为随着时间的推移，我们会通过优化和一些方法来解决这个问题，例如在建立陷阱和冷却时如何稳定以及如何在站点尺度系统上直接执行门操作等，这些都会有显著的成本。”他指出，在未来，不同的方法将互补完成基于离子阱的量子计算。

政府在量子计算中的角色

会议还讨论了政府在量子计算领域的作用。来自美国的Christopher Monroe教授认为，量子计算与传统计算有着根本不同的性质，需要改变我们对信息处理的理解方式，他强调了政府在帮助推动这一领域社会化方面的作用。

他指出，量子力学已经有大约100年的历史了，与哲学相关的思考令人惊叹，但一直是个相当深奥的主题，而且其讨论主要局限于大学。即使是相关的实验，也大多在超低温等特殊环境下进行，在现实生活中不易感知到。

“我希望在50年后，甚至在孩子们上的第一堂物理课中，他们会有一种对量子叠加的直觉，也许他们只有12岁，这种直觉会让他们明白信息处理可以利用这些非常奇特的规律。我们在日常生活中没有这种直觉。……政府可以在这一领域的社会方面提供帮助。”

Monroe教授还指出，政府将成为量子计算这一新技术的最大用户之一，尤其是在数据安全领域。

量子计算与经典算法的发展与竞争

中国科学技术大学的陆朝阳课题组从2013年开始研究基于光子的量子计算，其在2020年研制出的原型机“九章”在玻色采样问题中实现了量子优越性。

在讨论中，陆朝阳回顾了自谷歌宣称实现量子优越性以来，量子计算与经典算法之间的竞争和发展的历史。他介绍，就在谷歌的“悬铃木”量子计算机宣称实现量子优越性的第二天，IBM就发表评论称，他们可以使用一种改进的经典算法，将谷歌最初声称经典计算需要1万年的时间缩短到大约2天。随后，还出现了其他的发展，中国科学院理论物理研究所的张潘教授提出了一种更好的方法，理论上可以将原本需要1万年的任务缩短到大约几十秒。

“这相当有趣。我认为这是一个非常好的建设性的科学辩论的例子。量子硬件和经典算法，它们在这个过程中都取得了长足的进步。”

他还指出，在这些发展中，还会出现一些受量子启发的算法，“这意味着我们不一定需要量子硬件，也可以在经典算法本身上进行一些良好的改进。”

量子计算是物理，也是工程

讨论最后提到了如何更好地教育年轻科学家，培养他们进入量子计算令人兴奋且跨学科的研究领域。

Christopher Monroe指出，量子计算虽然源于物理学的研究，但已不再仅仅是物理学，正在进入工程领域，并且在计算机科学部门有着广泛的应用。他强调，需要以信息为基础的不同教育方式来指导年轻一代，以更好地教授量子计算知识。

Rainer Blatt也认为，作为一名学术教师，如今教授量子力学的方式确实会有所不同。“从我的角度来看，现在的方式更容易理解，不再将一切都与粒子行为联系起来，至少对于那些更倾向于数学形式主义的人来说，相对容易。一旦你接受了一些假设，数学形式主义的方式就不再那么复杂。我认为这对于教育年轻一代以不同的方式学习量子力学是最重要的部分。“

此次量子计算会议是2023未来科学大奖周的一部分。这是未来科学大奖周首次在香港举行，14-17日，为期4天，包含科学峰会、亚洲青年科学家会议、科技主题论坛、获奖者对话青少年、颁奖典礼等系列活动。

在科学峰会的其他五个专场中，包括诺贝尔化学奖得主Gregory Winter和Michael Levitt，盖尔德纳奖得主麦德华、科学突破奖获得者Shankar Balasubramanian，美国科学院院士-Sharon Hammes-Schiffer，中国科学院院士张东辉、王小云，香港科学院院士萧荫堂、台湾中研院院士范剑青等，分別就生命科学、人工智能、农业、化学、数学等议题进行交流讨论。

未来科学大奖成立于2016年，是由科学家、企业家群体共同发起的民间科学奖项，旨在奖励在中国内地（大陆）、香港、澳门、台湾取得杰出科学成果的科学家，以创新模式带动更多民间资金推动中国基础科学的研究，促进科学事业发展，以科学精神影响中国、影响世界、影响下一代。未来科学大奖目前设置“生命科学奖”、“物质科学奖”和“数学与计算机科学奖”三大奖项，单项奖金100万美金。

2023年，柴继杰、周俭民因发现抗病小体并阐明其结构和在抗植物病虫害中的功能做出的开创性工作获得“生命科学奖”，赵忠贤、陈仙辉因对高温超导材料的突破性发现和对转变温度的系统性提升所做出的开创性贡献获得“物质科学奖”，何恺明、孙剑（已故）、任少卿、张祥雨因提出深度残差学习，为人工智能做出了基础性贡献，获得“数学与计算机科学奖”。

文章2023年10月16日发表于微信公众号墨子沙龙（中美欧科学家齐聚香港，探讨量子计算前沿问题），风云之声获授权转载。