量子前沿英雄譜|經(jīng)典計(jì)算的“滅霸”：John Preskill
量子信息科學(xué)家、量子霸權(quán)/NISQ提出者John Preskill（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）
當(dāng)被黑洞吞噬時，物質(zhì)或光會發(fā)生什么？是按照量子能量定律的規(guī)則轉(zhuǎn)化為另一種形式，還是反定律地徹底消失？
1997年，三位杰出的物理學(xué)家為這一問題下了一個有趣的賭注。最終，以斯蒂芬·霍金“贈書服輸”而結(jié)束。作為獲勝者，John Preskill也在這場Thorne–Hawking–Preskill賭注中“一戰(zhàn)成名”。
John Preskill，美國著名的理論物理學(xué)家、美國國家量子計(jì)劃顧問、美國國家科學(xué)院院士、量子信息科學(xué)家。作為加州理工學(xué)院理論物理學(xué)教授、量子信息與物質(zhì)研究所所長，Preskill還是“量子霸權(quán)”、“NISQ”概念的提出者，亞馬遜量子計(jì)算中心亞馬遜學(xué)者。
John Preskill（左）、Kip Thorne（中）和霍金探討黑洞理論（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）
從黑洞學(xué)到量子計(jì)算可行性研究
Preskill出生于1953年的美國伊利諾伊州。1975年他從普林斯頓大學(xué)物理學(xué)專業(yè)畢業(yè)，進(jìn)入哈佛大學(xué)進(jìn)行研究生學(xué)習(xí)，師從諾貝爾物理學(xué)獎得主Steven Weinberg（斯蒂文·溫伯格）。1980年在獲得哈佛大學(xué)博士學(xué)位后，Preskill成為哈佛研究員協(xié)會初級研究員、哈佛大學(xué)助理教授。1982年以來，Preskill進(jìn)入加州理大學(xué)開展了大量的科學(xué)研究與教學(xué)工作。
早前，追隨導(dǎo)師溫伯格教授的腳步，Preskill在粒子物理學(xué)和量子場論領(lǐng)域做了大量且有影響力的研究。其早期研究成果有《Cosmological production of superheavy magnetic monopoles》（超重磁單極子的宇宙學(xué)產(chǎn)生）、《Cosmology of the invisible axion》（看不見的軸子的宇宙學(xué)）、《Local discrete symmetry and quantum-mechanical hair》（局部離散對稱性和量子力學(xué)毛發(fā)）等。
1990年代，Preskill開始對利用量子物理學(xué)解決經(jīng)典計(jì)算難以解決的問題的可能性充滿興趣，并自此將量子信息科學(xué)作為主要的研究領(lǐng)域。
在這一量子計(jì)算起步的時期，Preskill為行業(yè)做了大量的奠基性工作。其中，1998年，Preskill通過理論驗(yàn)證量子計(jì)算機(jī)可行，并提出擁有大約一百萬個量子比特并且門錯誤率低于百分之一的量子計(jì)算機(jī)將發(fā)揮出強(qiáng)大的價值【1】；2000年P(guān)reskill與Peter Shor一起證明了，Bennett和 Brassard在1984年提出的（BB84）量子密鑰分發(fā)協(xié)議的安全性【2】。
在2001年，Preskill與Daniel Gottesman、Alexei Kitaev發(fā)展了容錯量子計(jì)算理論，并證明了量子精度閾值定理，該定理確立了在噪聲不太強(qiáng)的情況下，有噪聲的量子計(jì)算機(jī)可以可靠地運(yùn)行。同時，他們還創(chuàng)造性地提出了基于光學(xué)振蕩器構(gòu)建離散變量系統(tǒng)以及采用Gottesman-Kitaev-Preskill（GKP）量子比特編碼，可執(zhí)行容錯通用量子計(jì)算【3】。
因其在宏觀宇宙物理以及微觀量子信息科學(xué)領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，Preskill在1984年獲得NSF總統(tǒng)青年科學(xué)家獎，1991年成為美國物理學(xué)會會員，2014年入選美國國家科學(xué)院院士，2020年成為美國國家量子計(jì)劃顧問。
（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）
在教學(xué)領(lǐng)域，Preskill于柏林洪堡大學(xué)、萊頓大學(xué)、劍橋大學(xué)、多倫多大學(xué)、耶魯大學(xué)、慕尼黑大學(xué)、華盛頓大學(xué)、肯塔基大學(xué)、康奈爾大學(xué)等多所科研院所兼任講師，可謂桃李滿天下。
對量子霸權(quán)與NISQ時代的反思
在量子計(jì)算領(lǐng)域，Preskill最為大眾所津津樂道的是，他提出了量子霸權(quán)（quantum supremacy）和NISQ（嘈雜的中型量子，Noisy Intermediate-Scale Quantum）兩個意義深遠(yuǎn)的概念。
而自2012年“量子霸權(quán)”概念提出以來，業(yè)界就對之爭議不斷。起初，Preskill認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)“量子霸權(quán)”的方法是在解決問題的受控量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行算法，該算法能夠以相對于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的超多項(xiàng)式加速來解決問題，盡管能夠執(zhí)行的任務(wù)可能并沒有實(shí)際用途。
而隨著谷歌在2019年宣稱實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)，關(guān)于這一概念的反駁與質(zhì)疑也紛至沓來。Preskill也開始意識到這一定義的不妥，并慎重反思量子霸權(quán)。
Preskill在《Quanta》雜志上講道：“正如谷歌團(tuán)隊(duì)所承認(rèn)的那樣，問題在于他們的機(jī)器以驚人的速度解決的問題是經(jīng)過精心挑選的，只是為了展示量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢。但，其示范性意義仍然重大——谷歌驗(yàn)證了量子計(jì)算硬件性能，并由此預(yù)示NISQ時代的來臨。”
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2018年，Preskill提出，現(xiàn)在是科技史上的一個特殊時期，擁有50-100個量子比特的量子計(jì)算機(jī)將能夠執(zhí)行超過當(dāng)今經(jīng)典計(jì)算機(jī)能力的任務(wù)，盡管量子噪聲將限制可以可靠執(zhí)行量子比特的大小【4】。
Preskill認(rèn)為，我們正在見證NISQ時代的開啟：嘈雜的中型量子計(jì)算正在通過混合量子算法以解決經(jīng)典和量子優(yōu)化等問題，NISQ設(shè)備將是探索多體量子物理的有用工具，并將展現(xiàn)出其它有價值的應(yīng)用。
“100個量子比特的量子計(jì)算機(jī)不會立即改變世界，但我們應(yīng)該把他視為朝著未來更強(qiáng)大的量子技術(shù)邁出的重要一步?！?/strong>
經(jīng)過更為謹(jǐn)慎的描述，這一概念得到了當(dāng)前業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可。如今，量子計(jì)算正在被期待用于解決一些現(xiàn)實(shí)世界以及經(jīng)典計(jì)算難以解決的問題，從而在社會應(yīng)用中提供有用價值。這些離不開Preskill等量子理論科學(xué)家們的努力。
近年來，Preskill的觀點(diǎn)也在不斷演進(jìn)和審慎：“我很擔(dān)心炒作。在未來10年內(nèi)量子計(jì)算機(jī)要取代經(jīng)典計(jì)算機(jī)、改變一切是不現(xiàn)實(shí)的。我希望未來能看到性能的逐步改善，而不是突然的飛躍。未來的5到10年內(nèi)，量子計(jì)算將推動科學(xué)發(fā)現(xiàn)以及展現(xiàn)出更多有用的應(yīng)用。”
Preskill的量子計(jì)算之見
近兩年來，量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了飛速發(fā)展，自谷歌53量子比特宣稱實(shí)現(xiàn)量子霸權(quán)后，數(shù)百上千量子比特陸續(xù)宣告出現(xiàn)。作為量子信息領(lǐng)域的科學(xué)家，Preskill在也對量子計(jì)算領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題進(jìn)行了探討與回答。
什么是量子糾錯以及如何實(shí)現(xiàn)？
基本思想是利用量子糾纏的特性。量子系統(tǒng)與環(huán)境的互動是不能避免的，要保護(hù)量子信息免受環(huán)境干擾，就必須要通過量子糾纏以非局域的方式對信息進(jìn)行編碼，使其免受噪聲影響。
通常，我們認(rèn)為量子糾錯的方式是，通過編碼嘈雜的量子比特以保護(hù)存儲在量子態(tài)中的信息。另一種方法是，嘗試將糾錯思想用在硬件本身的設(shè)計(jì)中。即利用拓?fù)洳牧蠈?shí)現(xiàn)高度糾纏，信息以非局域式的方式傳播。我認(rèn)為這個方法仍然很棒，或?qū)⒊蔀楦淖冇螒蛞?guī)則的想法，但目前為止，制造具有真正特性的材料太難了。
誰將先實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算突破？
這不是我看待它的方式。我認(rèn)為行業(yè)在很大程度上仍處于競爭前的時代，因此任何公司或任何實(shí)際的進(jìn)步都會使人收益。當(dāng)然，有很多公司確實(shí)已有收入，例如，將設(shè)備放在云端，采用訂閱式收費(fèi)?，F(xiàn)在以及可能在未來一段時間內(nèi)，這些平臺的用戶們可能并不能真正地解決其無法通過非量子方法解決的問題。但更重要的是，他們步入了一種工具化的階段，不僅將獲得使用量子設(shè)備的專業(yè)知識，并及早認(rèn)識到未來量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用將如何影響他們的公司。
哪種量子計(jì)算機(jī)工程策略最有希望？
就近期而言，最先進(jìn)的是超導(dǎo)電路和離子阱技術(shù)路線，我認(rèn)為在接下來的5-10年里，這仍舊是一趨勢。而其他技術(shù)路線例如拓?fù)淞孔佑?jì)算等，它們相對不會很快發(fā)生。我更喜歡超導(dǎo)電路，因?yàn)樗泻芏嗍驴梢宰?，例如，設(shè)計(jì)、配置、擴(kuò)展等。并且，它的優(yōu)勢是速度更快，如做門的時間比離子阱技術(shù)路線快。從理論家的角度來看，這種拓?fù)浞椒ǚ浅Ｎ?，可以想象它將?0年后起飛并成為領(lǐng)導(dǎo)者。
在物理學(xué)中最希望哪個解決的問題？
我希望能夠看到，通過量子模擬器和量子計(jì)算機(jī)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，在理解量子引力方面取得重大進(jìn)展。這并不是一個荒謬的提議，我們可以使用普通的量子系統(tǒng)來描述量子引力。我們可以以一種便捷的方法使用它來設(shè)計(jì)構(gòu)建和操作完成這項(xiàng)任務(wù)的量子平臺，來制定問題。因?yàn)槟氵@樣做的方式是創(chuàng)建一個由許多粒子組成的高度相關(guān)、強(qiáng)相互作用的系統(tǒng)，其中這種量子引力理論的幾何學(xué)將是一種新興屬性。量子凝態(tài)物質(zhì)中許多具有吸引力的事情都與有效描述的出現(xiàn)有關(guān)，這種有效描述與潛在的微觀描述非常不同，也不那么容易預(yù)測。這將是一種很好的方式，可以把我整個職業(yè)生涯都感興趣的東西組合在一起。?
參考：
【1】John Preskill,”Reliable Quantum Computers,”Proceedings of the Royal Society of London.Series A(1998).
【2】Peter W Shor, John Preskill,”Simple proof of security of the BB84 quantum key distribution protocol,”Physical review letters.85.(2000).
【3】Daniel Gottesman, Alexei Kitaev, John Preskill,”Encoding a qubit in an oscillator,”Physical Review.64(2001).
【4】John Preskill,”Quantum computing in the NISQ era and beyond,”Quantum.02.2018.
編譯：王衍/李每編輯：王衍
