光子盒研究院出品量子计算与量子信息在过去(组图)

光子盒研究所出品

近二十年来，量子计算与量子信息在理论计算机科学的深度融合中发生了巨大而深刻的变化。今天，量子技术不再是物理学的一个分支，而是一门综合学科：它的进一步发展需要物理学、计算、数学和工程学等不同背景的人的合作。

与国际研究机构不同，目前国内该行业的研究人员大多具有物理背景，而从事量子计算理论的计算机研究人员却很少。南京大学计算机科学与技术系姚鹏辉副教授重点关注这一领域。姚教授从计算复杂度、量子算法和量子信息论入手，现已在算法和通信复杂度方面取得了一系列重要成果。

2021年，姚鹏辉课题组论文《共享具有最嘈杂纠缠态的非局域量子博弈是可判定的》撰写并发表：考虑一种特殊的非局域博弈，让玩家共享无限份最嘈杂的最大值。纠缠态。结果表明，此类博弈是可判定的，并且存在一种近似于任意小精度的算法。结合 Ji、Natarajan、Vidick、Wright 和 Yuen 最近的开创性工作 MIP*=RE，这一结果表明非局部博弈对共享纠缠态的噪声并不鲁棒。这种证明结构建立在联合分布的非交互式模拟的可判定框架之上并对其进行概括；开发了一系列用于矩阵空间傅里叶分析的新技术，并证明了量子不变性原理和超压缩不等式。该成果已在AMSS-UTS量子计算联合研讨会、（济南）算法与计算理论研讨会等学术会议上分享，随后被SIAM Journal of Computing录用，即将出版。这项新颖的研究将在量子信息理论、量子复杂性理论中具有许多潜在的应用。并随后被 SIAM Journal of Computing 接受并即将出版。这项新颖的研究将在量子信息理论、量子复杂性理论中具有许多潜在的应用。并随后被 SIAM Journal of Computing 接受并即将出版。这项新颖的研究将在量子信息理论、量子复杂性理论中具有许多潜在的应用。

近日，Photon Box有幸联系并采访了“量子计算：一种应用方法”的姚鹏辉副教授。

1. 简单谈谈你的学业和工作经历？

我本科学历是华东师范大学，主修数学。后来，他在中国科学院攻读硕士学位，然后在新加坡国立大学量子技术中心攻读博士学位。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、马里兰大学量子信息与计算机科学联合中心从事博士后研究。美国。研究，2018年回国，加入南京大学。

2. 这些经历有没有改变研究方向和研究内容？

有一些变化。博士期间 期间，我主要和我的主管合作。一开始主要研究经典计算理论，后来慢慢转向量子。当我到达加拿大时，我基本上致力于量子计算。回国前从事电脑相关工作；合作进行实验并做一些物理。

3. 能否简要介绍一下最新进展？

群里现在有博士生5人，大四才一年，硕士和本科有几个。所以大部分精力都是带学生做项目。我们的研究都与量子计算有关。现在我带学生和一些物理和数学研究小组合作，还有一些外国朋友。希望能扩展下组同学的知识和知识。

4.当初为什么选择加入南京大学，学校提供什么样的支持？

南大计算机科学系有做理论计算机科学的传统算法4有那么好吗，该系非常支持这个方向。理论计算机科学有点特别。比较偏向数学，文章发表也比较慢，所以需要一个比较宽容的环境，让我们静下心来去做。

5. 团队是否开展国内外合作？之前对 IBM 的不满是否影响了您的国际合作？

我们仍在与清华大学、南加州大学、哈佛大学和一些大学合作。IBM的合作者其实是我在荷兰的小弟和学徒，和我个人关系很好。现在我和他还有一些合作，最近我们一起发表了另一篇论文。但是，目前仅限于在非量子计算的一些主题上进行合作。

6. 您目前是否正在与学生一起研究一些研究成果？

是的，我和我的第一个博士生做了一个量子计算理论的结果

( )。目前网上只有预印本，文章已被理论计算机科学权威期刊SIAM Journal of Computing接收，但排期可能需要一段时间。这对我来说是一项特别有意义的工作。这是我第一次与学生进行研究，所使用的研究问题和工具与我之前的研究课题有很大不同。我认为它最终是如何完成的令人惊讶。

也有一些量子分布式算法的成果发表。现在群里的几个同学也都取得了一些成绩，有的已经在投稿了，有的还在写论文。

7. 团队目前主要研究经典计算机上的量子算法吗？南京大学有量子计算机吗？

我的团队现在主要研究量子计算机的计算能力。具体来说，如果现在有大型量子计算机，你能用它做什么，不能做什么。这是一个纯粹的理论问题。更接近现实的是实验室中的小型量子计算机能做和不能做的事情。研究它能做什么，主要是看它会有什么优势；对它不能做什么的研究主要是从密码学和安全的角度，希望构建一些量子计算机无法破解加密的方案。

据我所知，我们学校物理系的一些研究团队已经有了小型量子计算机，但不知道他们能做出多少个量子比特。我校现代工程技术部有团队拥有光学平台，可以在上面实现小规模的量子算法。

8. 团队在科研上有没有遇到瓶颈或问题？

没有特别明显的瓶颈。可能是因为我做理论研究，不涉及建实验室，所以感觉还算顺利；之前我也遇到过一些困难，因为刚开始当老师的时候，没有和学生打交道的经验，也不知道怎么设计一些适合学生的题目。，我会给同学们一些我思考了很多年的问题，现在慢慢摸索一些经验。

9. 参考您早年在新加坡、加拿大、美国等国家的学习和工作经历，您有在不同国家进行量子技术研究的亲身经历吗？

感觉国外在推动学科交叉方面比较深入。比如我之前主要呆在量子研究中心。同一栋楼里有物理、计算机、数学和工程研究人员。我每天都和这些人一起听报道和吃饭。有各种学术报告。今天，可能会有一份非常数学的报告。明天将讨论如何制作原子钟。在这样的环境下，每个人都了解了不同的学科，跨学科的合作自然会发生。

10.你觉得国外的量子技术发展会比中国更全面、更全面吗？还是中国在量子技术的发展上还欠缺？

的确，国外量子技术的发展比较全面，不同专业背景的人也不少。例如，在马里兰大学的 QuICS 中心，超过一半的师生具有计算机背景。然后他们中心的楼下就是联合量子研究所JQI，基本上都是物理学背景。这使他们很容易一起工作。和加拿大量子计算研究所IQC一样，新加坡的量子技术中心CQT基本上就是这种模式。

11. 一些西方国家（如美国）主要是由科技公司推动量子信息技术的发展，而中国则是由学术机构推动。如何看待这种差异？

我不认为美国量子信息技术的主要驱动力是科技公司。我认为这也是学术界和工业界开始齐头并进的地方。比如美国的NSF、能源部、国防部这几年在美国高校投入了大量资金，并指定这些高校招收量子教师，但如果不给钱他们不能招募他们。只是这些消息只是学术界比较关注，外界知道的比较少。

不过美国顶尖公司的量子计算研究也很厉害，比如IBM、谷歌、微软。他们也擅长新闻，所以感觉这些大公司正在推动量子计算研究。

12.结合国内外发展现状，您认为量子技术未来会有哪些应用场景？

现在学术界更加关注。目前，如果量子计算机稍大一些，可以用来模拟一些经典计算机无法模拟的量子系统，有望解决一些小分子药物设计问题。那么量子计算机可以指数级加速一些数值计算问题，可以应用于一些大规模的计算问题算法4有那么好吗，比如天气预报等。在量子密码学方面，大家已经在研究如何保护量子计算机的密码系统，现在有一个特殊的密码学分支，叫做后量子密码学，正在研究这个。

我认为短期内量子技术的许多应用并不是每个人都能直接看到的。例如，它使一些问题变得更快、更安全。我对如何使用量子计算机来帮助解决化学中的一些计算问题更感兴趣。当然，这可能不是每个人都感受到的。

我主要关注一些特殊哈密顿系统的量子系统的量子算法，是否可以高效求解。这些特殊的哈密顿系统具有特定的化学结构，可能更具技术性。

最近，我一直在和我的一位同事以及香港大学的一个团队合作，专注于一些量子测量和机器学习。量子测量主要由物理专业的人完成，机器学习主要由计算机人完成。我们发现这两个方向研究的很多问题其实非常相似。我们主要看机器学习的方法能否应用于量子测量。

13.你如何看待存在的“量子炒作”现象？

我认为当一个方向出现时，这是很难避免的。关于2014、2015年谷歌和微软开始大规模投资量子技术后，显然这方面的消息越来越多。然后，这些消息一传出，其中一些变得越来越神秘。只要量子技术不断进步，大家就会逐渐看到，这门学科正在飞速发展。

14.现在世界各国都在大力推动和发布政府公告，投资数十亿在量子技术上。您如何看待这种现象？或者为什么要投资数十亿美元开发量子技术？

量子技术不仅包括量子计算，还包括量子传感、量子通信等。我借用了我以前听过的观点。现在是第二次量子革命。第一次量子革命使我们意识到，微观世界是用量子力学来描述的。那时，我们只能被动地用量子力学来解释一些现象。现在在第二次量子革命中，我们正在积极使用量子力学来设计我们需要的东西。

所以我认为推动量子技术的发展不仅仅是制造量子计算机，而是其相关工艺和技术的发展在各个方面都有很大的作用。

15. 越来越多的科学家参与或创建商业公司。你有这方面的计划吗？

目前没有，我还是比较喜欢大学的环境。

16.你希望在你的研究生涯中取得什么成就？

量子计算还有很多领域还是空白，还有很多未解决的问题。我希望能够建立一个领域的理论，系统地解决其中的一系列问题。当然，如果这个理论也能通过实验来实现就更好了。

17. 关于您的最新翻译《量子计算：应用方法》，您想对您的读者说些什么？

目前，市面上的量子计算教科书要么侧重于数学理论，要么侧重于物理原理和实验。本书是为具有计算机背景的从业者编写的。所以，如果你想了解量子计算和常用的量子算法，尤其是这些算法的实现，但又不想过多地涉及数学证明，或者物理原理，这本书是一个不错的选择。

南京大学副教授姚鹏辉；毕业于新加坡国立大学CQT，获得博士学位。(QuICS) 用于博士后研究。在STOC、FOCS、CCC等理论计算机科学国际顶级会议以及信息论顶级期刊IEEE Transaction on Information Theory发表多篇论文。

具体研究方向：

1.量子计算复杂性和量子信息论

2.经典和量子信息论

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