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”，也能夠實現(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，香港大學計算機系助理教授趙琦亦是其中之一。

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。基于這種特質，他從小就對數(shù)學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)學研究的道路前行。

命運的轉折發(fā)生在趙琦本科大三時期。彼時，他出于對密碼學的好奇參加了馬雄峰教授關于量子密碼學的講座。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：“雖然當時完全不了解量子學，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年的學習，我意識到自己并不想一直做僅僅在數(shù)學上看來很有趣的研究，而是更希望解決具體的問題。”

作為現(xiàn)代物理學兩大的支柱之一，量子理論的出現(xiàn)催生了現(xiàn)代信息技術、核能、激光、半導體等科技的問世，計算機、互聯(lián)網(wǎng)、手機等重大應用也由此誕生。可以說，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”。

加入導師馬雄峰教授的課題組后，在新方向上的刻苦學習與大膽創(chuàng)新，為趙琦帶來了驚喜的回報。2018年，他在導師的帶領下，與中國科技大學潘建偉教授、張強教授團隊及中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所等合作，開發(fā)了第一個高安全性、無漏洞的器件無關量子隨機數(shù)產(chǎn)生器，在國際上首次成功實現(xiàn)設備無關的量子隨機數(shù)。這一成果為密碼學和數(shù)值模擬等不同領域提供了真正可靠的隨機性來源，同時為未來的設備無關的隨機數(shù)拓展、隨機數(shù)放大、量子密鑰分發(fā)等諸多關鍵領域做了鋪墊，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金（Hartree Postdoctoral Fellowships）的資助并開始了新的科研探險。馬里蘭大學雖在外名聲不顯，在量子研究領域卻實實在在位于世界一流梯隊，來自世界各地的業(yè)內頂尖科研人員，如我國清華大學、北京大學、復旦大學、南京大學等量子領域許多知名研究者，都在這里學習或工作過。回顧這段時光，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。“目前為止，我最滿意的成果就是在這一階段產(chǎn)生雛形。”趙琦如是說。

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’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。”在馬里蘭大學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，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和實際應用的新高度。“我們發(fā)現(xiàn)當存在糾纏時，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，趙琦都將帶領團隊以此為切入點，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、量子信息基礎理論等方面的研究，凝結成40余篇論文，相關的一系列工作發(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者。

不知不覺間，曾經(jīng)對量子學一竅不通的懵懂少年也成了新一代學子學習的榜樣和引路人。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姚班、北京大學、英國帝國理工等國內外知名學府，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，自由與嚴格并存。在研究方向和具體內容上，趙琦往往不對組內成員做過多的干預和限制，只要他們感興趣、愿意嘗試，他都會最大限度地支持；而在學術習慣的養(yǎng)成和學術態(tài)度方面，趙琦則嚴格要求、絕不松懈一絲一毫。他將這種作風歸結于導師的影響：“在我的求學和博士后研究階段，我的導師馬雄峰、陸朝陽、安德魯·查爾茲（Andrew Childs）也是這么指導我的。”在趙琦看來，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到了學術品味，篤定了要做別人感興趣的研究；在馬里蘭，安德魯教授的嚴謹與一絲不茍，作為兩個量子中心的主任卻仍親力親為做研究、帶學生，則讓他清楚了科研人身上的責任與應有的態(tài)度。

如今趙琦也將他從老師身上學到的知識、品位、態(tài)度傳授給他的學生。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)秀學生，一旦找到自己真正感興趣的方向，自會結出累累碩果。

除了年輕，涵蓋學科范圍廣也是這支團隊的鮮明特色。目前，組內成員有來自物理系的，有來自數(shù)學系的，還有來自計算機系的……這與學科特性不無相關。量子科技是事關人類未來的關鍵核心技術領域，前程遠大但絕非坦途，其發(fā)展與應用前景仍存在長期性和不確定性，多種技術路線并行發(fā)展是當前現(xiàn)狀，將來哪條路線將“勝出”仍未可知。因此，要想搶占量子領域制高點，構筑新優(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，趙琦正在路上。科

專家簡介

趙琦，香港大學計算機系助理教授。主要從事量子模擬、量子糾纏、量子計算、量子信息基礎理論等方面的研究，共發(fā)表期刊論文44篇，相關的一系列工作發(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基金-香港研究資助局聯(lián)合計劃、香港杰出青年學者計劃、香港影響力基金、國家自然科學基金理論物理專款研究項目等。