Bob Coecke其人

左 芬

上海微观纪元数字科技有限公司

前一阵量子科技媒体量子时魂/Quantum Zeitgeist评选了“推动量子技术革命的20位最具影响力的人物”。我翻了翻，除了家喻户晓的潘建伟老师外，我竟然不认识几个。Seth Lloyd还是在Lee Smolin的《物理学的困惑》/“The Trouble With Physics”一书中读到的，说他从量子信息的角度提出宇宙就是一台量子计算机（详见其书《编程宇宙：量子计算机科学家对宇宙的挑战》/“Programming the Universe: A Quantum Computer Scientist Takes on the Cosmos”）。另一个更早提出此想法的是Fotini Markopoulou，是从量子引力的角度提出的。

不过，在这20人中有一位却是我相当熟悉的，那就是Bob Coecke!但我对他的近况并不了解。一查，原来他从2019年1月起担任剑桥量子的高级科学顾问，去年年初被任命为首席科学家。去年年底剑桥量子与霍尼韦尔量子合并为“量子统”/“Quantinuum”后，Coecke继续担任首席科学家。那么，Bob Coecke这人到底有些什么非比寻常的经历和成就呢？听我慢慢道来。

我之前尝试翻译过John Baez 与谷歌的Mike Stay合写的长文《物理、拓扑、逻辑与计算之罗塞塔石碑》/“Physics, Topology, Logic and Computation: A Rosetta Stone”中的部分内容。这篇长文是一部文集《物理学的新结构》/“New Structures for Physics”中的第二章，编者正是Bob Coecke。全书共十五章，Coecke与人合写了第三章《物理学家实用范畴》/“Categories for the Practising Physicist”，以及第十章《经典态与量子态的偏序》/“A Partial Order on Classical and Quantum States”。他在前言中写了一段很有意思的“个人体会”，简要回顾了自己早期的研究经历：

“我从80年代晚期开始我在量子基础方面的研究生涯。这或许还不足以确保学术自杀，我又变本加厉地研究起了隐变量理论。在拿到博士学位之后，我试图拯救自己的学术生涯，投入了Piron带领的几近退隐的日内瓦小组，转向处于消亡之中的量子逻辑方向。意识到自己的错误后，我接着转向纯数学中的范畴论——一个被大多数非范畴论数学家深恶痛绝的方向——并进入到麦吉尔大学几近退隐的范畴理论小组。非常惊奇的是，在经历了所有这些之后，我仍有一席之地，而很多远比我聪明的其他学者早已经落败而逃。学术生涯的近乎绝灭在高能物理中必然也发生过。在量子基础中学术死亡数要少一些，但这多半是因为量子理论在大多数地方的教导风格——‘不要空谈，只要实干！’——使得没那么多人以量子基础为归宿。而我得以最终存活下来的原因我想是，尽管|量子基础>，|量子逻辑>，|范畴论>单个来看都导致学术灾难，|量子范畴式逻辑基础>结果在欧洲计算机科学圈子里却像是一种时尚，因为在这里‘基础’令人惊奇地意味着‘酷’。 在这些圈子里结构化研究真的是被高度推崇，原因是这不可或缺。在此期间，我们在牛津大学计算实验室这里的多学科小组已经扩张到30人，除了Samson Abramsky和我以外，现在还有Andreas Doring和一大群牛津博士生，他们的背景包括理论物理，计算机科学，纯数学，哲学，工程，甚至语言学。”

读到这里大伙大概已经粗略知道Coecke是研究什么方向的了。与众不同的是，Coecke在将范畴论引入到量子力学的基础研究后，不仅根本性地重新表述了量子理论，还将其以一种图形化的语言形象地展示出来。早在2005年的“Kindergarten Quantum Mechanics”(quant-ph/0510032v1)一文中他就指出，量子力学现有的von Neumann表述是一种低级语言，令人费解且阻碍发展，以致量子瞬移（Quantum Teleportation）的发现花费了60年之久。他指出范畴式量子力学可以看成一种高级语言，并具体发展出这种高级语言的图形化形式。这些图形是如此的简单明了，以致幼儿园小朋友都能够轻松看懂（这里作者有些夸张，我翻了一下，能看懂的绝对是Ramanujan级别的神童。）。这些工作的进一步发展与系统化最终汇总在他与Aleks Kissinger合著的《图解量子过程：量子理论与图形化推理入门》/“Picturing Quantum Processes: A First Course in Quantum Theory and Diagrammatic Reasoning”（以下简称“《图解》”）一书中。粗略地说，就是他与合作者发展了一套刻画量子力学的“费曼图”，而将这种“费曼图”应用在量子计算和量子通信中，就是所谓的“ZX-演算”。ZX-演算目前已经在量子计算中得到初步应用，但还远远不够。我们说范畴式量子力学是von Neumann表述的根本性变革，而ZX-演算也必将引起量子信息领域的革命。

最近我通俗地介绍了《图解》一书中关于ZX-演算的一些入门知识。我们也来看看Bob Coecke在书的前言里对自己研究生涯的回顾：

“Bob最开始的时候相当糟糕，在1990年代拿到的博士学位是那时完全无人问津的主题，量子理论的背景式“隐变量表述”——最近这一表述被圆滑地重新命名为本体论模型。在一段时期的失业以及一次失败的摇滚明星尝试后，Bob冒险进入了那时更无人问津的主题，von Neumann的量子逻辑，来到了古怪的异见者Constantin Piron身边。

正是在那儿，范畴论介入进来，还有对量子系统中合成的根本地位的严肃考虑——而这与重点关注量子过程（而非量子态）是息息相关的——这些考虑最终为量子理论的一种图示化方案提供了形式上和概念上的支柱。量子基础的范畴式推动最早来自于David Moore (1995)，一个极有天赋的研究者，其学术生涯终结于1990年代晚期，概念导向式物理遭遇广泛禁止的一个年代。在同Moore和Isar Stubbe的合作中，Bob为量子理论的范畴式重新表述做了一些初步尝试，可惜的是从老派量子逻辑中承继了太多瑕疵之处。量子逻辑的主要问题在于，它隐含地假设了所关注的物理系统永远是‘表面上外部现象世界的某个部分，可假定与其周围环境分离，因为它与环境的相互作用要么可忽略，要么可以简单而有效地模拟’（Moore 1999）。然而，与环境的相互作用恰好是我们真正关心的问题！

在被踢出大学（因为官僚，乡村政治，以及重重伪善），在艺术方面的再次失败尝试，以及迫在眉睫的失业后，一个小小的奇迹发生在Bob身上，两个陌不相识的人，Prakan Panangaden与Samson Abramsky，为他在牛津大学计算实验室——那时被亲切地称为计算室——安排了一个‘试验性’博士后职位。尽管Bob对计算机科学一无所知并认为计算机科学家就是一群整天盯着屏幕的电脑迷，他却在这个系里如鱼得水并很快发现，跟量子逻辑学家完全不同，计算机科学家已经研究相互作用系统很长时间了，而且能用范畴论的语言优美地描述这类系统。事实上，在这个特殊的计算机系里，居然在本科阶段就教授范畴论课程了。

正是在这儿，第二作者介入了进来。

……

要是没有这个独一无二的计算机科学环境中数学体系与概念思维方面的惊人财富，这本书根本不可能出现。与1990年代物理学中对‘基础性’和‘概念性’的禁令形成鲜明对比的是，在这一新环境中‘基础性’与‘概念性’一直是（并且仍然是）巨大的优点！这导致了一个新研究团体的诞生，其中计算机科学家，纯粹数学家，哲学家，以及如今东山再起的量子基础方向的研究者们紧密互动。可能更公平地说，这种独一无二的氛围有助于量子基础团体的全面复兴， 而在此过程中不少德高望重的实践者已经采纳了图形化范式，尤其是Chiribella等人（2010）与Hardy（2013）。

……

最终导致你现在阅读的这本书。

在从头到尾的这一过程中发生了相当多的事情，比如第一作者又重启了音乐生涯，邂逅了一个女孩，结了婚，造了娃，生了娃，还带着娃到北京观看他的金属乐演出。与此同时，另一个作者也结了婚，在Radboud大学（荷兰人在Bob的精神敌人之列）获得职位，并且蓄了一副夸张的胡子。两位作者因在当地的酒吧门口被痛扁一通而臭名远扬（有流言说是因为量子理论解释上的争端，但俩人都记不太清了。）他们还组建了一个南部乡村音乐的工业噪声乐队，叫做量子飞刀乐队（Quantum Dagger Orchestra）。”

这本书出版的时间是2017年。从2012年开始构思，花了整整5年时间。书里虽然提到很多量子计算方面的内容，但作者当时似乎并未打算直接介入量子计算，至少从前言中的这一段表述来看是如此。

最后想说的是，无论是Seth Lloyd还是 Bob Coecke，虽然都进入了量子信息领域，但都没有局限于此。他们或是放眼宇宙，或是执着于量子基础，心系着整个物理学的前景。正如嵇康诗所言，“目送归鸿，手挥五弦。俯仰自得，游心太玄……”