趙琦 | 從微觀視角探尋無限可能

“疊加”“糾纏”——這是微觀量子世界里最有代表性的奇妙物理規(guī)則，使得某一物體在某一時刻“既生又死”，也能夠?qū)崿F(xiàn)兩個不同個體之間無視空間距離阻隔的“無障礙實時交流”。其顛覆宏觀世界常識的特性與難以琢磨的脾性，一百多年來困擾和吸引著無數(shù)學(xué)者，使他們著魔似地在一次次日常的失敗和偶爾出現(xiàn)的成功中探尋無限可能，香港大學(xué)計算機系助理教授趙琦亦是其中之一。

▲趙琦

以興趣為帆，在量子的世界航行

敢于挑戰(zhàn)，熱衷“解謎”，這是趙琦身上最突出的特質(zhì)?；谶@種特質(zhì)，他從小就對數(shù)學(xué)有著超乎尋常的喜愛，嘗試不同的解題思路、探尋簡單數(shù)字背后的隱秘關(guān)系是他認為最有趣的“游戲”，他也一度認為自己始終會沿著數(shù)學(xué)研究的道路前行。

命運的轉(zhuǎn)折發(fā)生在趙琦本科大三時期。彼時，他出于對密碼學(xué)的好奇參加了馬雄峰教授關(guān)于量子密碼學(xué)的講座。深入淺出而又充滿趣味性的講座一下子激起了趙琦的興趣：“雖然當(dāng)時完全不了解量子學(xué)，但是聽了講座之后，我覺得量子研究真是一件很酷的事情！這也是后來我為什么會來到清華大學(xué)交叉信息研究院，加入馬雄峰老師課題組的原因。”

如果說這場講座為趙琦打開了量子世界的大門，那么關(guān)于“做何種研究”的思考，則是他踏入微觀世界的決定性因素。趙琦說：“經(jīng)過3年的學(xué)習(xí)，我意識到自己并不想一直做僅僅在數(shù)學(xué)上看來很有趣的研究，而是更希望解決具體的問題?！?/p>

作為現(xiàn)代物理學(xué)兩大的支柱之一，量子理論的出現(xiàn)催生了現(xiàn)代信息技術(shù)、核能、激光、半導(dǎo)體等科技的問世，計算機、互聯(lián)網(wǎng)、手機等重大應(yīng)用也由此誕生?？梢哉f，量子理論深刻影響著人類文明的發(fā)展進程，探尋微觀世界的規(guī)律即探尋改變世界的方法，正是趙琦所求的“具體的研究”。

加入導(dǎo)師馬雄峰教授的課題組后，在新方向上的刻苦學(xué)習(xí)與大膽創(chuàng)新，為趙琦帶來了驚喜的回報。2018年，他在導(dǎo)師的帶領(lǐng)下，與中國科技大學(xué)潘建偉教授、張強教授團隊及中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等合作，開發(fā)了第一個高安全性、無漏洞的器件無關(guān)量子隨機數(shù)產(chǎn)生器，在國際上首次成功實現(xiàn)設(shè)備無關(guān)的量子隨機數(shù)。這一成果為密碼學(xué)和數(shù)值模擬等不同領(lǐng)域提供了真正可靠的隨機性來源，同時為未來的設(shè)備無關(guān)的隨機數(shù)拓展、隨機數(shù)放大、量子密鑰分發(fā)等諸多關(guān)鍵領(lǐng)域做了鋪墊，對推進未來更快更安全的量子通信具有重要意義。

此后，被譽為“公立常春藤”的美國馬里蘭大學(xué)向趙琦遞出橄欖枝。這是一張通向更廣闊世界的邀請函，趙琦獲得了該校哈特里博士后獎學(xué)金（Hartree Postdoctoral Fellowships）的資助并開始了新的科研探險。馬里蘭大學(xué)雖在外名聲不顯，在量子研究領(lǐng)域卻實實在在位于世界一流梯隊，來自世界各地的業(yè)內(nèi)頂尖科研人員，如我國清華大學(xué)、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)等量子領(lǐng)域許多知名研究者，都在這里學(xué)習(xí)或工作過?；仡欉@段時光，趙琦用“獲益良多”“滿載而歸”來形容。思維的交流碰撞出了足夠絢麗的火花?！澳壳盀橹?，我最滿意的成果就是在這一階段產(chǎn)生雛形?！壁w琦如是說。

用趙琦的話來說，在其早期的研究中，量子模擬與量子糾纏這兩個方向堪稱涇渭分明。“雖然量子糾纏在量子信息中是必不可少的，但其在量子計算算法中的作用卻尚不明確。我一直希望可以在一些真正的‘任務(wù)’中看到這些‘糾纏’的用處，它們真正的意義在哪兒？這是我一直在思考的問題?！痹隈R里蘭大學(xué)的研究使他摸索出了一些頭緒，正如夜空中的一道閃電，使隱藏于黑暗的道路顯現(xiàn)出來。

回國后，趙琦加入香港大學(xué)，在校方提供的大力支持下，逐一驗證自己的猜想。趙琦和合作者們提出隨機初態(tài)、糾纏態(tài)和基于局域觀測量的量子模擬算法分析，極大減少了量子模擬任務(wù)中的資源需求；建立一種基于糾纏熵的量子模算法誤差分析，并開發(fā)了一種融合測量糾纏度的自適應(yīng)模擬算法，用以估計算法誤差，提升算法表現(xiàn)。他的研究，將量子模擬推向了更有物理基礎(chǔ)和實際應(yīng)用的新高度?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)當(dāng)存在糾纏時，量子模擬算法的性能會得到提升。這表明，糾纏不僅是經(jīng)典模擬的難題，更是加速量子算法的關(guān)鍵，更大的糾纏將帶來更顯著的量子優(yōu)勢。我們終于真正將量子糾纏資源和算法聯(lián)系起來了！”在未來的一段時間內(nèi)，趙琦都將帶領(lǐng)團隊以此為切入點，重點探索推進量子模擬算法的實用性方法。

做有趣的研究，解決具體的問題。這條踏入量子世界時懷揣的理念，趙琦始終牢記著、踐行著。

薪火相承，培養(yǎng)面向未來的隊伍

截至目前，趙琦在量子模擬、量子糾纏、量子計算、量子信息基礎(chǔ)理論等方面的研究，凝結(jié)成40余篇論文，相關(guān)的一系列工作發(fā)表在《自然》《物理評論快報》等國際頂級期刊；成果也多次入選量子信息理論重要會議報告環(huán)節(jié)。在與量子的“糾纏”中，趙琦嶄露出青年學(xué)者的鋒芒與朝氣。2024年，因在量子糾纏探測和量子模擬算法上的突出貢獻，他入選《麻省科技評論》亞太區(qū)35歲以下科技創(chuàng)新35人，是該獎項創(chuàng)辦以來亞太、中國地區(qū)唯一量子計算純理論獲獎?wù)摺?/p>

不知不覺間，曾經(jīng)對量子學(xué)一竅不通的懵懂少年也成了新一代學(xué)子學(xué)習(xí)的榜樣和引路人。目前，趙琦的課題組匯聚了6名博士生、4位博士后，團隊整體年輕而干練，這些富有激情的年輕人來自清華大學(xué)姚班、北京大學(xué)、英國帝國理工等國內(nèi)外知名學(xué)府，他們?yōu)閳F隊的多元交叉科研氛圍增添了不少色彩。趙琦對他們寄予厚望，也給予了足夠的支持與尊重。

在這個年輕的課題組里，自由與嚴(yán)格并存。在研究方向和具體內(nèi)容上，趙琦往往不對組內(nèi)成員做過多的干預(yù)和限制，只要他們感興趣、愿意嘗試，他都會最大限度地支持；而在學(xué)術(shù)習(xí)慣的養(yǎng)成和學(xué)術(shù)態(tài)度方面，趙琦則嚴(yán)格要求、絕不松懈一絲一毫。他將這種作風(fēng)歸結(jié)于導(dǎo)師的影響：“在我的求學(xué)和博士后研究階段，我的導(dǎo)師馬雄峰、陸朝陽、安德魯·查爾茲（Andrew Childs）也是這么指導(dǎo)我的?！痹谮w琦看來，馬雄峰教授曾鼓勵和指引初入量子世界還未找到方向的他，走出了迷茫和痛苦，讓他逐漸褪去科研的青澀；陸朝陽教授則讓他習(xí)到了學(xué)術(shù)品味，篤定了要做別人感興趣的研究；在馬里蘭，安德魯教授的嚴(yán)謹(jǐn)與一絲不茍，作為兩個量子中心的主任卻仍親力親為做研究、帶學(xué)生，則讓他清楚了科研人身上的責(zé)任與應(yīng)有的態(tài)度。

如今趙琦也將他從老師身上學(xué)到的知識、品位、態(tài)度傳授給他的學(xué)生。他相信，正如自身所經(jīng)歷的那樣，興趣即最好的老師、最強的動力。這些來自不同院校的優(yōu)秀學(xué)生，一旦找到自己真正感興趣的方向，自會結(jié)出累累碩果。

除了年輕，涵蓋學(xué)科范圍廣也是這支團隊的鮮明特色。目前，組內(nèi)成員有來自物理系的，有來自數(shù)學(xué)系的，還有來自計算機系的……這與學(xué)科特性不無相關(guān)。量子科技是事關(guān)人類未來的關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域，前程遠大但絕非坦途，其發(fā)展與應(yīng)用前景仍存在長期性和不確定性，多種技術(shù)路線并行發(fā)展是當(dāng)前現(xiàn)狀，將來哪條路線將“勝出”仍未可知。因此，要想搶占量子領(lǐng)域制高點，構(gòu)筑新優(yōu)勢，迫切需要更多兼具智慧和勇氣的年輕人加入進來，進行交叉與協(xié)同合作，取得前沿方向的突破。

培養(yǎng)面向未來的隊伍，是一項長期而艱巨的任務(wù)，趙琦正在路上。

專家簡介

趙琦，香港大學(xué)計算機系助理教授。主要從事量子模擬、量子糾纏、量子計算、量子信息基礎(chǔ)理論等方面的研究，共發(fā)表期刊論文44篇，相關(guān)的一系列工作發(fā)表在國際頂級期刊《自然》（Nature）、《物理評論快報》（PRL）、《物理評論X》（PRX）、《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）;成果也多次入選量子信息理論重要會議報告環(huán)節(jié)，并擔(dān)任量子信息與量子安全進展（AQIS）程序委員會委員（PC member）。主持或參與了國家自然科學(xué)基金-香港研究資助局聯(lián)合計劃、香港杰出青年學(xué)者計劃、香港影響力基金、國家自然科學(xué)基金理論物理專款研究項目等。