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姚期智  清華大學跨學科信息科學研究所所長

撰文 | 蒲慕明 王玲

翻譯 | 余其身

校譯 | 史聰一

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NSR：量子通信和量子計算受到媒體的廣泛關(guān)注。二者是兩個不同的概念嗎？

姚：量子通信和量子計算是兩個相互關(guān)聯(lián)，但是彼此獨立的概念。量子計算所需的技術(shù)更為高級。驅(qū)動量子通信發(fā)展的主要目標是為保密通信建立密碼學保障，在量子通信中，從一地到另一地的待傳送信號不必是高度準確的。但量子計算卻要求信號的高準確性。在過去十幾年中，谷歌等大型公司開發(fā)出了一些量子計算相關(guān)的新興技術(shù)。一般的看法是，可用的技術(shù)將在未來五六年中出現(xiàn)。量子計算的理論基礎(chǔ)在20年前就已經(jīng)建立了，現(xiàn)在的問題是如何實現(xiàn)它。

NSR：量子計算已然成為熱點話題。它的基本原理是什么？

姚：半導(dǎo)體電路小型化的快速發(fā)展使得傳統(tǒng)計算機的性能不斷提升。然而，這個小型化存在一個固有極限——當芯片上電路元件的尺寸縮小到納米尺度時，量子力學效應(yīng)將會占據(jù)主導(dǎo)地位，并影響元件的性能。這將是摩爾定律的終點。（譯注：摩爾定律認為在價格不變的前提下，集成電路上可容納的元器件數(shù)目每隔18-24個月增加一倍，其性能也提升一倍。）

對于傳統(tǒng)計算機來說，這是不可避免的命運；但是科學家們已經(jīng)開始考慮，能否把這種情況下有害的量子現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸娴摹獦?gòu)建一個利用由薛定諤方程描述的量子力學邏輯進行計算的計算機，而不再是利用布爾邏輯進行計算的傳統(tǒng)計算機。量子計算機這個理念是費曼在1981年首次提出的。他說，原則上，人們可以設(shè)計一種計算機，該計算機通過量子力學特性來工作，模擬量子系統(tǒng)并采用量子方程得到解。費曼的這個理念在學術(shù)領(lǐng)域吸引了很大重視。

傳統(tǒng)計算機通過集成電路利用雙值布爾邏輯（0和1）發(fā)揮功能。其計算是：把由比特表示的輸入點映射到更高層次，通過多重映射，得到輸出點以提供最終解。然而，量子計算機的量子比特可以表示1、0或者這兩個態(tài)的任意疊加。量子計算機系統(tǒng)的計算類似于固體的旋轉(zhuǎn)；在這個類比中，量子計算機的計算結(jié)果類似于測量固體旋轉(zhuǎn)所得到的讀數(shù)（旋轉(zhuǎn)角度可以是連續(xù)的任意角度）。傳統(tǒng)計算機的一個操作，對應(yīng)一個確定的路徑；量子計算機的一個操作，可以沿著多個計算路徑進行，而最終達到的是同一個目標，因為量子波函數(shù)允許在同一時刻存在多個態(tài)。這個現(xiàn)象就是量子并行性。量子并行計算是量子計算機的速度可以遠快于傳統(tǒng)計算機的關(guān)鍵原因。

NSR：就硬件設(shè)計而言，傳統(tǒng)計算機與量子計算機的主要區(qū)別是什么？

姚：量子計算機是一個相對閉合的系統(tǒng)；其計算幾乎能夠做到瞬時完成?；旧?，量子計算機表現(xiàn)得十分“羞怯”：一經(jīng)查看，計算就會被打斷并停止。此外，量子計算機是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其涉及到多重前沿性技術(shù)。例如，量子計算機的存儲單元、多個單元之間的通信、量子比特態(tài)的調(diào)制等，都需要用到激光器。就量子計算機的材料與制造工藝而言，其不僅代表著過去三四十年中諸多先進技術(shù)的集成，還涉及到各學科間的緊密合作。

NSR：量子現(xiàn)象的不確定性會影響量子計算的精度嗎？

姚：會的，但是一個不確定的答案并不一定是錯誤的。事實上，有些量子計算總是能夠得出正確的答案。而且就實際計算而言，有一些誤差是可以被接受的，無需100%精確。

NSR：量子計算機的概念早在1980年代初期就已經(jīng)出現(xiàn)，但在之后幾十年中似乎進展緩慢。

姚：的確如此。在費曼提出這一理念后，主要是物理學家在進行深入的理論探索。直到上世紀90年代初期，在物理學家基本上闡明了量子計算機的運行機制后，計算機科學家才開始進入這一領(lǐng)域——我本人也是其中之一。1994年，貝爾實驗室的Peter Shor設(shè)計了破解密碼的量子計算算法，引發(fā)了計算學界的廣泛興趣，美國政府和美國宇航局開始投入這一領(lǐng)域。多個相互競爭、嘗試制造第一臺實際量子計算機的研究團隊也開始出現(xiàn)。

NSR：從那時開始，主要的進展有哪些？

姚：自那之后的主要工作是對實現(xiàn)量子計算機的方案進行探討和選擇。在過去十幾年里，為制造量子計算機，科學家們嘗試了各種材料，例如離子阱、超導(dǎo)體和鉆石。最近，拓撲絕緣體也因其自身優(yōu)異的可校正功能而成為備選之一。但是前面還有很長的路要走，主要困難之一是保持功能態(tài)的超低溫度。

NSR：您認為第一臺量子計算機將在何時出現(xiàn)？

姚：許多人預(yù)測第一臺量子計算機將在未來五六年中出現(xiàn)，但我認為，要制造出能夠在數(shù)千量子比特水平上進行可靠計算的量子計算機，絕非易事。谷歌和IBM等大公司都在量子計算機研發(fā)上斥入巨資。特別是谷歌，它招募了該領(lǐng)域中最重要的專家John Marinis以及他在加州大學圣芭芭拉分校的整個團隊，而他們的研究進展良好。

NSR：在您的倡議下，清華大學在2011年建立了量子信息中心（CQI），這個中心的目標是什么？

姚：我們的目標是打造量子信息的世界級中心，并為該領(lǐng)域培養(yǎng)下一代科學家。因此，我們的當務(wù)之急就是招募高質(zhì)量研究人員，例如我們招募到的密西根大學費米講席教授段路明。過去幾年里，他在我們中心做出了優(yōu)秀的工作。他的團隊研究的鉆石色心量子計算在同行業(yè)中保持前列。他們還采用固體自旋實現(xiàn)了普適幾何量子門 [Zu C, Wang W-B, He L etal. Nature 2014; 514: 72-75]。

NSR：采用鉆石系統(tǒng)的優(yōu)勢是什么？

姚：鉆石系統(tǒng)有兩個優(yōu)點：其一，它可以在室溫下運行；其二，它具有固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)，如果系統(tǒng)能在幾個量子位水平表現(xiàn)良好，就有可能擴展到更大的尺度。除了鉆石系統(tǒng)，我們中心也在進行離子阱、超導(dǎo)體和光子網(wǎng)絡(luò)的研究，而且正在做出很好的進展。

NSR：量子計算機性能卓越，它們是否將會替代傳統(tǒng)計算機？

姚：我認為傳統(tǒng)計算機和量子計算機將會共存，因為二者各具優(yōu)勢。傳統(tǒng)計算機具有量子計算機尚不具備的準確性和成熟度。但相比于傳統(tǒng)計算機，量子計算機將在解決涉及量子力學效應(yīng)的問題上具備優(yōu)勢。例如，在材料設(shè)計、藥物研發(fā)和物理化學領(lǐng)域，量子計算機將會展現(xiàn)出優(yōu)勢，而使用傳統(tǒng)計算機則很難解決這些問題。

NSR：量子計算機的硬件和軟件都與傳統(tǒng)計算機有很大不同。目前的主要挑戰(zhàn)是什么？

姚：量子計算是一個典型的跨學科領(lǐng)域，需要相關(guān)領(lǐng)域的科學家與工程師密切合作，尤其是量子物理學家與計算機科學家之間的合作。算法的突破將激發(fā)硬件的改進，反之亦然。例如，我在上文中所提到的Peter Shor教授，他不僅證明了量子計算可以解決密碼破解的問題，還解決了量子計算中的誤差修正問題。正是基于他的這一研究，物理學家們開始確信量子計算機的可行性。而當量子計算機發(fā)展到一定階段，將會需要計算機科學的變革。傳統(tǒng)計算機的數(shù)據(jù)存儲、運算系統(tǒng)和編程語言都需要被重新設(shè)計。目前尚不清楚這將怎樣完成，但這是一個重要的研究方向。許多IT行業(yè)的領(lǐng)軍公司早已構(gòu)建了大量的項目來發(fā)展量子軟件。

量子計算方法和算法的研究是一個具有巨大潛力的領(lǐng)域。過去數(shù)十年中已經(jīng)出現(xiàn)了多個優(yōu)雅的計算方法，理論上都很有吸引力。我希望看到更多與實際相契合的量子計算方法出現(xiàn)，諸如用于材料設(shè)計的方法。

NSR：量子計算機似乎需要科學和制造技術(shù)的共同發(fā)展？

姚：沒錯。我已經(jīng)強調(diào)過，在中國，制造量子計算機的重要性遠遠超過只研究量子計算——因為這將帶動相關(guān)技術(shù)行業(yè)的發(fā)展。與中國登月計劃類似，這種大工程將激發(fā)科學家和工程師的潛力，他們會為了求解特定問題而創(chuàng)造出新方法和新技術(shù)，這些方法和技術(shù)可以在工業(yè)發(fā)展、國家安全等諸多領(lǐng)域中做出有益于社會的貢獻。70年前，中國錯過了占據(jù)微電子學高地的機遇；希望我們這次不會錯過發(fā)展量子計算機的機遇?，F(xiàn)在全球很多國家都大力投入量子計算，以期未來在這一領(lǐng)域中占據(jù)領(lǐng)先位置。

在進行實際實驗時，還會有一些眼前的顧慮。例如，適合于量子計算機的鉆石材料依賴于國外進口。當競爭變得更加激烈，其它國家可能會拒絕將材料出售給我們。如果我們不自力更生發(fā)展這些材料，未來將很容易受到限制。另外，在該領(lǐng)域工作，無法在短期內(nèi)發(fā)表個人評價和職位晉升所需的文章。除非我們改變現(xiàn)有的評價體系，否則很難激勵研究人員從事這種基礎(chǔ)性研究工作。這些都導(dǎo)致了我們目前仍然依賴于進口的材料和技術(shù)。

NSR：您為改進中國的計算機科學教育付出了巨大努力。而清華“姚班”也已經(jīng)成為培養(yǎng)年輕學子的典范。姚班是怎樣誕生的？

姚：2005年，我與時任微軟亞洲研究院主任沈向洋進行了一場關(guān)于中國計算機科學高等教育的深入探討。我們都認為中國有很多優(yōu)秀的學生，但是由于課程設(shè)置和教育方式的問題，他們中的大多數(shù)人都落后于美國學生。即使是那些赴美攻讀更高學位的頂尖中國學生，也會由于在本科階段缺乏對獨立和深度思考能力的培養(yǎng)，而不得不在研究生期間經(jīng)歷一個艱難的過渡期。而這種不足的另一個反映是：在獲得美國終身教職的計算機科學領(lǐng)域研究者中，華裔的數(shù)量遠遠少于印度裔。在經(jīng)過廣泛討論和細致考慮之后，我們決定在清華大學建立一個新模式，來培養(yǎng)在計算機科學領(lǐng)域具有天分的本科生。

NSR：您怎樣為姚班選拔學生？

姚：我們每年都會為清華大學的新生舉行一場自選性質(zhì)的入學考試，選拔大約30個學生；他們大多為新生中的尖子生，或是數(shù)學、物理和信息科學的國際奧林匹克競賽獲獎?wù)摺?/p>

姚期智教授給姚班上課（圖片由姚期智提供）

NSR：姚班的課程設(shè)置有什么特別之處？

姚：首先，我們加強了計算機算法課程。這是美國計算機科學專業(yè)的本科課程，但在中國的大多數(shù)高校中還未開設(shè)。其次，我們主要從課程的質(zhì)量而非數(shù)量出發(fā)，來優(yōu)化課程設(shè)置。中國的本科教育傾向于設(shè)置大量課程以使學生獲得學分，而不是鼓勵他們進行深入研究。我們的新教學方法強調(diào)發(fā)掘?qū)W生的天賦和潛力。在我們的課程設(shè)置中，包括了最新的挑戰(zhàn)性課程，這些課程由我們聘請的最好的教授來講授。我們也通過研究課題來激發(fā)學生的興趣和想象力。最后，姚班的全部課程都采用英文教學，并為所有學生提供去國外交流一個學期的機會。這些努力的結(jié)果便是：在本科一二年級時，姚班的許多學生就能提出很好的問題，并能夠持續(xù)對自己所提出的問題進行研究。而到本科三四年級的時候，他們就具備了做研究的能力，甚至達到了研究生的水平。這一點是非常值得我們驕傲的。

NSR：這著實令人欽佩。但是，有資質(zhì)的導(dǎo)師同樣也很重要？

姚：事實上，在這一點上我們不同于其它大學。姚班的大多數(shù)教授都很年輕；他們非常具有創(chuàng)造性，并且樂于與學生互動。在教學之外，他們也對本科生的研究進行指導(dǎo)。

NSR：研究生的教學情況如何？

姚：研究生院的培養(yǎng)著重于研究。教授們開設(shè)與其自身研究領(lǐng)域相關(guān)的高級課程。院方希望學生們學習自己導(dǎo)師的課程，并與他們一起工作。也就是說，研究生的培養(yǎng)方法與全球其它地方并無二致。研究生培養(yǎng)的質(zhì)量如實地反映了研究院的質(zhì)量。在我們院（交叉信息學研究院，IIIS），我們盡職盡責地建立了一個高質(zhì)量教研團隊，在教學和研究兩方面都獲得了極高的聲譽。

NSR：跨學科研究和跨界創(chuàng)新在全球都是一個新趨勢。對于計算機科學也是這樣嗎？

姚：是的，這是不可避免的。正是由于預(yù)見到這一趨勢，我們早在2011年就在清華大學建立了IIIS，這可能是全世界第一批交叉研究機構(gòu)之一。你們可能知道，在過去近半個世紀中，計算機科學是一個有些閉門造車的學科，主要致力于研究領(lǐng)域內(nèi)部的問題，積累了大量理論和知識。過去十幾年來，情況發(fā)生了變化。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，計算機科學的許多技術(shù)突然變得非常有用起來。例如，計算機科學領(lǐng)域中有一個叫做分布式計算的分枝學科，它能夠保證計算系統(tǒng)的穩(wěn)固性和準確性。幾年前，區(qū)塊鏈概念逐漸流行，并在金融系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，而它正是對分布式計算的改進和應(yīng)用。對于計算機科學家而言，這是一個黃金時代——他們的研究能夠走出象牙塔，對世界產(chǎn)生巨大沖擊。這也將改變我們對于研究成果的評價準則。

NSR：在其他許多領(lǐng)域，類似的變化也正在發(fā)生。神經(jīng)科學和計算機科學之間也有越來越多的交叉。作為中國2030主要前沿科學計劃之一的“中國腦計劃”即將啟動，其中有很多內(nèi)容與新的計算方法和基于大腦信息處理原理的算法相關(guān)。

姚：這個領(lǐng)域很有前景。腦科學涉及多層次和多方面的探索，而且腦科學和計算機科學都關(guān)心學習問題。AlphaGo已經(jīng)擊敗了最出色的人類圍棋手，但是，我們距離理解人類的大腦學習過程仍然很遠。這個困難問題也許可以通過這兩個領(lǐng)域之間的融合來解決。

NSR：這個問題確實是中國腦計劃的目標之一。類腦智能研究著重于把腦特征集成于機器學習，旨在超越大多數(shù)當前范式的監(jiān)督學習模型，例如需要大量數(shù)據(jù)組和計算功率的深度學習網(wǎng)絡(luò)。

姚：對于進入該領(lǐng)域的不同學科的科學家而言，這也是個挑戰(zhàn)，也正是我們需要交叉研究和跨學科合作的原因。

NSR：對于您的個人經(jīng)歷，我們同樣備感興趣：您總是處于計算機科學的前沿，這是如何做到的？

姚：在我轉(zhuǎn)行進入計算機科學之前，我曾從事物理學研究，并獲得哈佛大學物理學博士學位。物理學是一門問題驅(qū)動型的科學，有助于研究人員養(yǎng)成開放性思維習慣。在進入計算機科學領(lǐng)域之后，我沿襲了這一習慣：首先找出核心問題，然后嘗試找出適當?shù)慕鉀Q方法。

在1975年獲得計算機科學博士學位后，我開始研究計算理論和復(fù)雜性問題，并取得了一些成績。1980年前后，個人計算機和計算機網(wǎng)絡(luò)的計算方案開始發(fā)生改變，我意識到網(wǎng)絡(luò)安全和密碼學是重要課題。于是我及其他科學家建立了基于復(fù)雜性理論的密碼學體系，這是計算機科學領(lǐng)域中的一項重要成果。

1990年前后，我注意到物理學家們正在研究量子計算機。我發(fā)現(xiàn)這個想法非常有趣。它開始引導(dǎo)我涉足量子計算和量子通信，于是我也在這些新學科里做出了一些貢獻。

NSR：您最近的研究興趣是什么？

姚：除了量子計算之外，我最近還對計算經(jīng)濟學感興趣，尤其是拍賣理論——包括人們在拍賣市場中的行為模式，以及拍賣市場的特性。在過去10年里，計算機科學家開始加入經(jīng)濟學家的行列，使拍賣理論成為一個新的交叉領(lǐng)域。通過對拍賣機制和策略的設(shè)計與分析，我們能夠建立數(shù)學公式，來描述為達到特定目標而采取的最佳市場法則和拍賣機制。

NSR：您放棄美國國籍，獲得了中國公民身份。您為何會做出這個決定？

Yao：這是一個非常自然的決定，我非常高興能夠成為一名100% 的中國公民。我已經(jīng)在清華大學工作了14年，深切體會到了與這里的同事和學生一起收獲成果的喜悅。

蒲慕明：中國科學院神經(jīng)科學研究所所長，NSR執(zhí)行主編；王玲：NSR特約撰稿人。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwy042

制版編輯 | 皮皮魚