与某机构访问学者詹姆斯·惠特菲尔德关于量子计算的对话

达特茅斯学院教授正专注于与客户及其他利益相关方开展更广泛的教育工作。

量子计算有望在制药、数据安全、材料开发等领域做出贡献。这种计算模型利用了量子粒子的行为特性。量子计算机 harnessing 叠加、纠缠和量子干涉等现象，并将其应用于计算中。

某中心正在推进量子计算机的开发，并通过其量子计算服务使研究人员、教育工作者和企业能够使用量子计算机。其量子计算中心最近发布了一篇架构论文《使用级联猫码构建容错量子计算机》，该论文描述了一种纠正量子计算机错误的新模型。

詹姆斯·惠特菲尔德，达特茅斯学院物理学助理教授，最近作为访问学者加入了某中心的量子计算工作。该访问学者项目面向终身教职前或刚获得终身教职的学者，旨在让他们在继续大学工作的同时，运用研究方法解决复杂技术挑战。

惠特菲尔德以优异成绩获得莫尔豪斯学院化学和数学学士学位，并拥有哈佛大学化学物理学博士学位。目前他正在参与某中心的量子计算工作，专注于学术和教育项目。

问：您何时以及如何对量子计算产生兴趣？达特茅斯大学惠特菲尔德团队背后的理念是什么？

在我开始研究生学习之前，我的博士导师说：“夏天读读《量子计算与量子信息》吧。”这本由迈克尔·尼尔森和艾萨克·庄合著的书是量子计算领域最早的作品之一。当时行业实习机会很少，基本上没有量子计算产业。与现在众多实习和非学术量子工作岗位的情况完全不同。

在此之前，我对数学的兴趣始于评分的客观性和解题时宁静的独处时光。大学时，母亲给了我她的《标准数学用表》。当我压力很大时，我会打开书，随机翻到一个积分题，求解并验证给定的答案。这些经历都带有深刻的个人色彩和宁静感。

在惠特菲尔德团队，我们致力于理解新旧计算机执行物理模拟的能力和局限性。特别关注量子力学在计算中的作用，包括量子计算机和量子信息的经典模型。我们正在研究如何用量子计算机模拟费米子（特定类型的亚原子粒子）；电子如何在经典和量子算法中形成、建立键合并工作；以及如何将经典算法推向可能不再需要量子计算机的境地。

问：在您专注该领域的15年间，量子计算如何演变？在向达特茅斯学生教授量子计算概念时面临哪些挑战？

情况已截然不同。容错量子计算机的概念曾经听起来遥不可及。现在有了具体提案，例如由某中心量子计算硬件负责人提出的方案。但科学界付出了大量努力才使我们达到今天的高度。

关于教学，许多人进来时一片空白，并不真正知道自己想要什么。我认为教授量子计算——以及在量子计算领域进行研究——最令人兴奋的方面之一是它涉及众多层面。

这让我想起盲人摸象的寓言。大象来到镇上，盲人们通过触摸来检查。第一个摸到象鼻，说感觉像粗蛇。下一个摸到耳朵，说像扇子。另一个摸到腿，说感觉像树干。

量子计算也是如此。微波工程师可能考虑如何设计微波脉冲。计算机科学家思考算法，化学家关注化学应用，物理学家考虑新型材料和高能粒子。因此，教授量子计算的最大挑战或许是理解每个学生带来的视角和热情，然后利用这种热情。

让人们理解量子计算机的局限性也很重要。化学是量子计算机可能产生影响的领域之一——一个常见的讨论话题是使用量子计算机帮助廉价、轻松地合成肥料。但有许多人在化学领域从事经典计算工作，一旦你说“这个问题适合量子计算机解决”，50名开发人员就会着手证明事实并非如此，经典计算机也能解决。通过应用量子原理，我们已经改进了许多经典算法。

问：作为某中心的访问学者，您希望实现什么目标？

作为访问学者，我的工作负责量子计算领域更广泛的教育工作。目标是协调和执行某中心在量子计算方面的教育计划。

某中心客户对此表现出浓厚兴趣，因此我正在思考如何满足不同客户群体的教育需求，从学生和教师到对量子计算好奇的企业团队。

某中心正在推进多项量子计算计划。我的工作是帮助团队连接关键的内外部资源，以便我们能够利用这些资源，加速客户在量子计算方面的学习。另一个关键方面是帮助客户（例如已经了解某中心的云工程师和机器学习从业者）更好地理解未来如何应用量子技术满足其业务需求。