文|Isabelle Dumé

編輯|Meister Xia

導(dǎo)讀

2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)由 Alain Aspect、John F. Clauser 和 Anton Zeilinger 三位科學(xué)家共同獲得，他們通過量子糾纏實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了量子力學(xué)的正確性，使得量子信息系統(tǒng)成為一門真正的科學(xué)，這將進(jìn)一步推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。量子計(jì)算機(jī)和量子物理學(xué)到底怎么回事？量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有什么區(qū)別？

Alain Aspect，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、巴黎薩克雷大學(xué)高等光學(xué)研究院教授、巴黎綜合理工學(xué)院教授

一覽：

• 自 20 世紀(jì)以來，量子物理學(xué)徹底改變了人類對(duì)物理學(xué)基本原理的認(rèn)識(shí)，讓我們以全新的視角看待物質(zhì)、電流、化學(xué)鍵。
• 實(shí)際上，量子物理學(xué)使得我們能夠研究和控制單個(gè)微觀物體。
• 近二十年，由于量子孤立原理和糾纏現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，掀起了“第二次量子革命”。
• 量子計(jì)算機(jī)的問世，有望改變現(xiàn)代世界的各個(gè)方面。
• 未來迫切需要培養(yǎng)更多的量子物理學(xué)人才，才能順應(yīng)該領(lǐng)域的快速發(fā)展趨勢(shì)。

量子物理學(xué)是描述電子、原子、分子、晶體等微觀粒子的物理定律。我們?cè)诤暧^世界熟悉的牛頓力學(xué)定律在納米尺度（十億分之一米，大致相當(dāng)于原子的大?。┑奈⒂^世界里不再有效。20 世紀(jì)上半葉普朗克和愛因斯坦對(duì)量子物理學(xué)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，從 1925 年起，偉大的物理學(xué)家海森堡、薛定諤和狄拉克將量子物理進(jìn)一步數(shù)學(xué)公式化，并一直沿用至今。

量子物理學(xué)對(duì)于解釋物質(zhì)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。19世紀(jì)末，人類發(fā)現(xiàn)原子是由正電荷和負(fù)電荷組成，且正電荷和負(fù)電荷相互吸引，碰撞后會(huì)泯滅。既然如此，作為物質(zhì)基礎(chǔ)的原子怎么還能存在呢？這都是因?yàn)殡娮拥牧孔犹刭|(zhì)：電子不僅是粒子，而且是波。當(dāng)你試圖限制電子的空間位置，其波長(zhǎng)就會(huì)遞減，能量需要相應(yīng)地遞增，但由于電子無處獲得大量能量，所以不能被限制在小于原子尺寸的空間內(nèi)。量子物理學(xué)也可以用來解釋原子之間的化學(xué)鍵。

量子物理的原理進(jìn)行數(shù)學(xué)公式化后，能在微觀層面上計(jì)算材料中的電流，人們借此發(fā)明出了晶體管和集成電路，作為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。量子物理學(xué)還闡明了物質(zhì)吸收、發(fā)射光子（光粒子）的原理，從而催生了激光設(shè)備的發(fā)明。

01、量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)的概念萌生于近二十余年，不過其起源可以追溯到上世紀(jì)70 年代物理學(xué)的幾項(xiàng)技術(shù)突破：首先是單個(gè)微觀物體的觀察和控制技術(shù)。在那之前，人類只能操縱大型粒子群，但現(xiàn)在可以捕獲單個(gè)電子或原子，觀察并控制它的行為，還可以發(fā)射單個(gè)光子并利用它的特性。其次是量子糾纏理論。愛因斯坦、波多爾斯基和羅森在 1935 年發(fā)表的一篇論文中首次描述了量子糾纏，該現(xiàn)象只有在量子物理學(xué)的理論框架內(nèi)才有可能出現(xiàn)。

兩個(gè)粒子在空間中相互作用后分離，會(huì)形成一個(gè)不可分割的量子整體。當(dāng)整體包含的信息多于每個(gè)粒子本身所包含的信息之和時(shí)，就會(huì)發(fā)生糾纏。正是這個(gè)屬性讓量子計(jì)算在理論上成為可能：假設(shè)有幾個(gè)、數(shù)十個(gè)乃至上百個(gè)互相糾纏的粒子用于編碼量子信息，能存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量就會(huì)指數(shù)增加，遠(yuǎn)超于傳統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備。

02、退相干現(xiàn)象——量子計(jì)算機(jī)研發(fā)的主要障礙

然而，我們距離理想中的量子計(jì)算機(jī)還有相當(dāng)長(zhǎng)的距離，因?yàn)楝F(xiàn)有的量子位（量子比特）并不穩(wěn)定，與環(huán)境相互作用時(shí)會(huì)發(fā)生所謂的“退相干”，一段時(shí)間后會(huì)自動(dòng)恢復(fù)成經(jīng)典物理學(xué)物體，并失去所包含的量子信息。退相干是量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重大障礙，需要極大的研發(fā)力度才有可能克服。不過，也有一些“捷徑”：例如尋找免受退相干影響的量子態(tài)子空間。如果能成功，我們?cè)谟猩昃湍芸吹搅孔佑?jì)算機(jī)。

我堅(jiān)信，遲早會(huì)出現(xiàn)一臺(tái)能完美運(yùn)行的理想量子計(jì)算機(jī)。依我之見，只要一個(gè)目標(biāo)不違背物理基本定律，工程師一定會(huì)找到實(shí)現(xiàn)的方法。當(dāng)然，研發(fā)的過程需要時(shí)間，不可能一蹴而就。

03、基于隱形傳態(tài)的未來量子網(wǎng)絡(luò)

量子互聯(lián)網(wǎng)（更準(zhǔn)確應(yīng)稱為量子網(wǎng)絡(luò)），指包含兩個(gè)或多個(gè)量子計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)直接從量子態(tài)發(fā)送量子信息相互通信，無需通過中間經(jīng)典物理狀態(tài)。此類網(wǎng)絡(luò)信息傳輸量極大，其原理是“量子隱形傳態(tài)過程”，已經(jīng)在單個(gè)粒子和小型粒子群中得到了驗(yàn)證，但傳輸距離只能在幾十公里以內(nèi)。

如果退相干問題在短期內(nèi)得不到解決，“降級(jí)版”量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)首先出現(xiàn)。對(duì)于某些任務(wù)，例如著名的旅行推銷員問題、電力網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等優(yōu)化類問題，這種中等規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)將比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更高效。

04、第二次量子革命

“量子2.0”成為了當(dāng)下的熱門概念，但我更愿意稱其為“第二次量子革命”，因?yàn)榱孔蛹夹g(shù)將具有顛覆意義。第一次量子革命主要是概念性、理論性的：科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了描述波粒二象性的新公式，加深了人類對(duì)物理世界的理解，并催生了一大批徹底改變社會(huì)的技術(shù)應(yīng)用。第二次革命有兩個(gè)嶄新的基礎(chǔ)：一是隔離和控制單個(gè)量子物體的技術(shù)，二是讓量子顆粒發(fā)生糾纏、并將糾纏現(xiàn)象應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景的技術(shù)。

新的量子技術(shù)會(huì)像晶體管、激光一樣，讓人類社會(huì)發(fā)生重大變革嗎？現(xiàn)在做出這種判斷為時(shí)過早，但我認(rèn)為企業(yè)應(yīng)加大量子技術(shù)研發(fā)投資。如果新技術(shù)真的帶來了我們所期望的革命性進(jìn)步，沒有提前投資的企業(yè)就會(huì)慘遭淘汰。此外，企業(yè)應(yīng)廣泛招募量子物理專家，但此類人才存在缺口，故我建議企業(yè)與大學(xué)建立合作伙伴關(guān)系，攜手并進(jìn)。

我們巴黎薩克雷大學(xué)有一個(gè)與巴黎綜合理工學(xué)院的合作項(xiàng)目，名為 ARTeQ，為理工科專業(yè)的學(xué)生提供量子通識(shí)教育，以便他們?cè)谖磥淼穆殬I(yè)生涯中學(xué)以致用。該項(xiàng)目得到了來自企業(yè)界的慷慨資助。

未來的世界需要量子研究者，也需要量子工程師和技術(shù)工人。這意味著我們從現(xiàn)在開始就要投資于量子物理的研究、技術(shù)和技能培訓(xùn)。