博一連發(fā)兩篇PRL！他用學科融合感知量子信息的奧秘
“港科廣er說”
信息樞紐人工智能學域
2023級博士生朱成開
量子計算是21世紀最有前景的前沿科技之一。相比傳統(tǒng)計算機只能處理“0”和“1”兩種狀態(tài)，量子比特（qubit）可以同時處于“0”和“1”的疊加態(tài)，利用量子的疊加性、糾纏性、相干性等，可用于完成許多傳統(tǒng)計算機無法完成的任務，為算力要求高的特定行業(yè)，以及探索基礎(chǔ)科學提供問題解決方案，對于化學、材料科學和物理學等領(lǐng)域的研究具有重要意義。
談起量子技術(shù)，不少人第一時間會想到科幻作品中的經(jīng)典情節(jié)——通過“量子領(lǐng)域”實現(xiàn)的星際穿越或時空旅行。誠然許多技術(shù)的應用還是遙不可及的夢想，但人類仍向著星辰大海一步步前行，這其中就有我們本期“港科廣er說”的主人公——朱成開。不久前，他在信息樞紐人工智能學域副教授王鑫老師的指導下以第一作者身份在國際頂級物理期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）接連發(fā)表兩篇文章，揭示團隊在量子信息處理領(lǐng)域取得兩項重要進展。
博一新秀，連發(fā)兩篇頂刊
Q：請先做個簡單的自我介紹吧！
大家好！我叫朱成開，來自浙江省衢州市。本科就讀于中國農(nóng)業(yè)大學數(shù)學與應用數(shù)學專業(yè)，后在中國科學院大學網(wǎng)絡空間安全學院選擇了信息安全與量子計算方向，并完成碩士研究生階段的學習。
量子計算的一大用途就是破解密碼。讀研期間，我開始接觸量子計算和密碼學，并于百度量子計算研究所實習，參與了量子信息方向的科研項目、接觸了量子機器學習軟件的開發(fā)，這段經(jīng)歷讓我意識到人工智能與量子信息結(jié)合的廣闊前景，也堅定了我投身這一領(lǐng)域的決心。
Q：在讀博的第一年，你就在《物理評論快報》接連發(fā)表兩篇文章，可以和大家淺談下你的研究成果么？
我在博士的第一年主要針對量子信息處理領(lǐng)域的基礎(chǔ)問題開展了研究，很幸運能為這一領(lǐng)域做出自己的小小貢獻。在王鑫老師的指導與合作下，與課題組多位成員劉志平、莫垠、陳俁翱、朱成鴻一起完成這兩篇文章。
第一篇論文中我們主要關(guān)注量子態(tài)分辨這一經(jīng)典且關(guān)鍵的量子信息處理任務，簡單來說，該任務的目標是給出一個能判斷處于未知量子態(tài)是A，還是B的最優(yōu)方案。我們的工作探究了“量子魔態(tài)資源”在這個任務中所扮演的獨特角色。其中，魔態(tài)資源是近些年來幫助人們理解量子優(yōu)勢的一個至關(guān)重要的量子資源，人們主要關(guān)注了它在量子計算中的應用。我們揭示了它其實在量子態(tài)分辨這個信息處理任務中，同樣扮演了重要的角色，并與量子糾纏在這個任務中的角色有許多有趣的異同點。我覺得這是非常有意思的一個現(xiàn)象。
第二篇論文提出了一個采樣通用量子電路用于計算和信息處理的框架。根據(jù)形狀和性質(zhì)，我們也稱其為“虛擬量子梳”，它本質(zhì)上是量子梳框架的拓展，最初，我們注意到許多量子任務中都受到了量子力學原理性的限制，在平時科研過程中會想這些限制是不是真的在任何情況下都無法突破呢？最終考慮了最一般的量子操作與經(jīng)典后處理合在一起，借助最優(yōu)化理論發(fā)現(xiàn)了一些新的有趣的現(xiàn)象，形成了這個框架。在這一框架下，我們能夠?qū)σ恍┪粗牧孔舆^程進行逆轉(zhuǎn)，從而對一些量子錯誤緩釋、量子算法的設計都能有新的啟發(fā)。
交叉融合，尋得新的可能性
Q：國內(nèi)有許多研究量子技術(shù)的知名高校，為什么選擇來港科大（廣州）讀博？
之所以選擇來港科大（廣州）讀博主要出于兩方面原因：一是因為校長倪明選教授提到學校以融合學科為特色，為高質(zhì)量發(fā)展提供新動能。我感興趣的量子信息與量子計算領(lǐng)域正是典型的融合學科，和學校的教學理念非常契合。
二是希望能跟隨我的導師王鑫老師的腳步，在量子信息、量子計算領(lǐng)域取得更多突破性進展。我與王鑫老師相識于百度量子計算研究所期間。從研一實習遇到他，到現(xiàn)在成為他的博士生，王老師不僅指導我的科研進步，更在工作生活的各個方面，潛移默化地影響著我。
Q：你是如何找到并確定自己的科研方向的？
我目前的研究興趣集中在量子信息和人工智能的交叉領(lǐng)域，這也是當前國家戰(zhàn)略需求的一個重要組成部分，在當中我找到了自己感興趣的量子信息方向。量子計算能為經(jīng)典機器學習算法帶來新的思想和范式；另外，機器學習和優(yōu)化技術(shù)也為量子系統(tǒng)的控制、糾錯提供了新路徑。
關(guān)于機器學習與量子計算結(jié)合
朱成開認為，機器學習與量子計算的結(jié)合就可以體現(xiàn)在兩方面。一是在量子計算機上跑機器學習，將經(jīng)典機器學習算法推廣到量子版本；二是用經(jīng)典的機器學習方法去解決一些量子信息領(lǐng)域的問題。因為量子信息里面有很多問題都沒有被解決或理解，還有很多開放的問題?，F(xiàn)在，我們有了更先進的經(jīng)典的算法，可能也可以去解決那些信息論里面那些古老的問題。
目前，國內(nèi)這一領(lǐng)域的研究團隊在逐步變多，大家的合作交流也逐步加強。探索這條科研道路，其實是個動態(tài)調(diào)整的結(jié)果——這當中離不開老師的指引，在研究中尋找興趣，獲得正反饋或負反饋，不斷探索迭代，從而確定適合的研究方向。
選擇之外，仍有選擇。比如我本科階段選擇了學習數(shù)學專業(yè)，這是興趣使然，也是對未來的一種待定，我希望能從數(shù)學的學習中打好基礎(chǔ)，而不是過早為自己“塑形”。
數(shù)學，讓我在未來遇見更多可能性。
事實上，港科大（廣州）對本科生的教育模式也有此考量。本科生入學后，前兩年不分專業(yè)，主要進行本科通識課程和專業(yè)基礎(chǔ)課程學習，學生在大二學期結(jié)束時進行專業(yè)選擇。
科研人到底做什么，以及他們的日常又是怎樣的狀態(tài)？在真正步入研究生學習之前，我并不知道答案。這個暑假，我們組來了一名新成員——一位大一本科同學。他通過“本科生科研項目”加入我們，而我恰好成為他的科研項目助教。與他攜手完成項目時，我突然意識到開設這一項目的必要性——本科同學可以很早接觸到科研工作者的日常工作，與我們一同參加領(lǐng)域內(nèi)各類國際會議，這對于有志投身科研事業(yè)的學生而言，是非常難得的機會。
Q：如何看待跨學科科研？你認為，自己的研究方向未來在社會中將扮演怎樣的角色？
我深感當今很多前沿科學都是跨學科的產(chǎn)物，學科交叉融合能產(chǎn)生"1+1>2"的奇妙化學反應。
而我的研究方向——量子人工智能，一方面我們希望用經(jīng)典的機器學習方法去解決量子信息領(lǐng)域的諸多困難問題，促進量子信息技術(shù)的發(fā)展；另一方面，我們很期待在量子計算機上發(fā)展新型的機器學習算法，利用量子信息處理的獨有特點，進一步賦能人工智能技術(shù)。
量子計算是典型的融合學科，涉及物理、數(shù)學、計算機等學科知識的交叉融合。我相信量子人工智能作為一個嶄新的研究方向，會在未來的量子計算產(chǎn)業(yè)中扮演重要角色，對基礎(chǔ)科學研究、社會經(jīng)濟、科技創(chuàng)新、國家安全等方面產(chǎn)生深遠影響。
Paper是作品，而非作業(yè)
Q：在完成科研工作的過程中，總有各種困難，是什么支撐你不斷前行？
在完成研究的過程中，最大的挑戰(zhàn)是如何在遇到瓶頸的時候堅持下去，而團隊成員之間的勉勵、支持與配合，不斷形成正反饋是我前行的動力。
此前工作中，我們的科研工作也并非一帆風順。在工作初步完成后，我們會將一份預印本上傳到arXiv的網(wǎng)站上。這個網(wǎng)站，類似科研界的“小紅書”，每個人都可以一窺即將新鮮出爐的研究成果。
你知道，地球是圓的、各地時區(qū)不同，日本的朋友最先起來，發(fā)郵件給我們論文提了意見。緊接著，一位歐洲的朋友起床，為我們送上郵件“驚喜”——“在其他相關(guān)的工作中出現(xiàn)過與你們類似的想法。”
這個小插曲，雖然一開始讓我們措手不及、十分沮喪，但也讓我深切地意識到了科研不易，更吸取了教訓：必須十分嚴謹?shù)孛鎸W術(shù)、面對科研，不可有一絲絲的松懈和想當然。
此次刊登在《物理快報》的論文“Reversing Unknown Quantum Processes via Virtual Combs: for Channels with Limited Information”，背后亦是充滿曲折。依稀記得項目剛開始時，我興致勃勃，但后來一度發(fā)現(xiàn)是自己想簡單了，找不到可以繼續(xù)深挖的研究點。某一天，在想要放棄的邊緣，我和合作者正隨手跑著一些實驗，竟突然在實驗現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)了新的方向，這讓我們很欣喜。我們大家經(jīng)常會在線上線下分享自己的想法，王鑫老師也往往可以對我們的想法和建議進行把關(guān)，抓住重點和主線，減少彎路。正是這種團結(jié)協(xié)作的氛圍，推動科研之路持續(xù)發(fā)展。因為，我們會把完成的“paper”，看成一件由我們共同精心雕琢的作品，而不是導師布置給每個人的一項作業(yè)。
交流討論對于融合學科和理論研究有很重要的促進作用，課題組開放的討論氛圍和交叉的學科背景為量子計算提供了很好的研究環(huán)境，我們經(jīng)常一起在會議室討論，相互啟發(fā)。遇到關(guān)鍵點，王鑫老師也會在會議室和我們一起討論和推進項目，直到深夜。
目前，我所在港科大（廣州）的量子人工智能研究課題組已經(jīng)活躍在領(lǐng)域內(nèi)的各種國內(nèi)、國際的學術(shù)會議和論壇，不斷形成的正反饋能支撐我時刻保持最佳狀態(tài)。
Q：你覺得王鑫老師對你影響最大的一點是什么？
恩師亦是摯友。王老師對我最大的影響在于他為人師表、以身作則。他并非對我提出明確的要求，安排我每天必須要完成什么工作，而是通過完成他自身的工作，展現(xiàn)很強的時間管理能力、嚴謹?shù)闹螌W精神，以及對科研的極致熱情。學習最快的方式就是模仿：每天都能接觸到這樣一位老師，我就會開始模仿他的科研與工作經(jīng)驗，逐步建立起高效的科研工作流，并在這一過程中，遇見更優(yōu)秀的自我。
在他的影響下，我們課題組形成了嚴謹?shù)目蒲幸?，每周會撰寫科研筆記，和老師同步科研進展、技術(shù)積累，收斂思維并作下一階段的計劃。
生活上，王老師平易近人，關(guān)愛學生。他會和我們分享他的求學經(jīng)歷和體會，在各個方面鼓勵我們，不僅在科研路上引導我們?nèi)绾闻囵B(yǎng)自己的科研興趣，也會鼓勵課題組通過打籃球、羽毛球、團建等方式勞逸結(jié)合，舒緩科研中遇到的壓力。
興趣牽引，探索潛力之無限
Q：現(xiàn)在你也有機會帶本科生完成科研項目，你是怎么做的呢？
作為項目助教，指導本科生推進他們暑期科研項目時，我也會不自覺地以王鑫老師的教學方式，來引導學生。做科研遇到瓶頸的時候，王老師會回到一些從簡單的例子出發(fā)，或者一些非常特殊的例子出發(fā)。這時，你可能會獲得一些結(jié)果。這些結(jié)果可能是非常簡單的，但是會給你正反饋——暗示自己絕對不是什么都做不出來，你起碼可以做出成效、有所發(fā)現(xiàn)的。
我會以同樣的方式帶本科生完成項目，讓他嘗試從一些非常簡單的科研問題入手。過程中也驚喜地發(fā)現(xiàn)，當問題解決后，學生會獲得正反饋，將更有興趣解決更深奧的問題。從一個簡單的例子出發(fā)，他也可以學到更多理論，研究更復雜的問題。
這不僅是師道的傳承，更是港科廣人對科研的熱愛與堅守。
Q：在港科大（廣州）就讀已有一年光景，和我們談談就讀體驗吧？未來的博士生生涯有什么規(guī)劃么？
入學港科大（廣州）一年以來，我感受最深的，是這里無處不在的科研氛圍和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神。學校提供的軟、硬件資源都讓我們的科研生活十分有保障。
左：朱成開的導師 人工智能學域副教授 王鑫
中：Richard Jozsa，皇家學會院士，歐洲科學院院士，劍橋大學教授，量子計算和量子信息領(lǐng)域的知名學者和先驅(qū)之一，他是最早展示量子計算指數(shù)級優(yōu)勢的多伊奇-喬薩算法的合著者，也是量子隱形傳態(tài)的共同發(fā)明者之一。
右：人工智能學域博士生 朱成開
現(xiàn)在，我每天的時間主要用在研究項目上，也會參加一些學術(shù)會議。在導師和學校的資助下，我于第一學年參加了在英國愛丁堡大學舉辦的量子計算會議QCTiP，參加了合肥國家實驗室舉辦的量子信息青年論壇，以及在日本北海道大學舉辦的AQIS2024。這些會議經(jīng)驗是快速擴展視野，增強與國內(nèi)外專家學術(shù)交流，了解新興方向的進展，以及算法、軟件、硬件、產(chǎn)業(yè)各個方面的前沿的絕佳途徑，幫助我更好地朝著世界最先行的學術(shù)方向前進。
未來幾年，我計劃繼續(xù)潛心鉆研量子信息與人工智能理論，爭取取得更多原創(chuàng)性成果。畢業(yè)后，我期望能繼續(xù)在量子科技領(lǐng)域深耕，成為一名世界一流的科研工作者。如果有機會，我還期待能到世界頂尖的研究機構(gòu)從事博士后研究，進一步拓寬研究視野、提升研究水平，在一個重要的方向上不斷深入直至突破。
Q：新學期已經(jīng)開始了，可以向后輩們分享下你的科研經(jīng)驗、建議么？
在完成科研的過程中，要堅持自己喜歡的事，想辦法把熱愛變成事業(yè)。換句話說，我們一定要對自己做的內(nèi)容感興趣，搞明白自己為什么要學這個專業(yè)、為什么要做這個項目。
另外，也歡迎準備深造的朋友來港科大（廣州）。首先，這里有一流的師資力量和科研平臺，諸如量子計算、人工智能、數(shù)據(jù)科學、智能制造、先進材料等前沿學科與重要發(fā)展方向，為我們提供探索交叉學科和培養(yǎng)國際化視野的路徑。其次，學校全方位的支持，能夠讓學生全身心投入學習研究。
