文|Isabelle Dumé

編輯|Meister Xia

導讀

2022年諾貝爾物理學獎由 Alain Aspect、John F. Clauser 和 Anton Zeilinger 三位科學家共同獲得，他們通過量子糾纏實驗進一步證明了量子力學的正確性，使得量子信息系統(tǒng)成為一門真正的科學，這將進一步推動量子計算機的發(fā)展。量子計算機和量子物理學到底怎么回事？量子計算機和傳統(tǒng)計算機有什么區(qū)別？

Alain Aspect，2022年諾貝爾物理學獎得主、巴黎薩克雷大學高等光學研究院教授、巴黎綜合理工學院教授

一覽：

• 自 20 世紀以來，量子物理學徹底改變了人類對物理學基本原理的認識，讓我們以全新的視角看待物質、電流、化學鍵。
• 實際上，量子物理學使得我們能夠研究和控制單個微觀物體。
• 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”。
• 量子計算機的問世，有望改變現(xiàn)代世界的各個方面。
• 未來迫切需要培養(yǎng)更多的量子物理學人才，才能順應該領域的快速發(fā)展趨勢。

量子物理學是描述電子、原子、分子、晶體等微觀粒子的物理定律。我們在宏觀世界熟悉的牛頓力學定律在納米尺度（十億分之一米，大致相當于原子的大?。┑奈⒂^世界里不再有效。20 世紀上半葉普朗克和愛因斯坦對量子物理學的發(fā)展作出了巨大貢獻，從 1925 年起，偉大的物理學家海森堡、薛定諤和狄拉克將量子物理進一步數(shù)學公式化，并一直沿用至今。

量子物理學對于解釋物質的穩(wěn)定性至關重要。19世紀末，人類發(fā)現(xiàn)原子是由正電荷和負電荷組成，且正電荷和負電荷相互吸引，碰撞后會泯滅。既然如此，作為物質基礎的原子怎么還能存在呢？這都是因為電子的量子特質：電子不僅是粒子，而且是波。當你試圖限制電子的空間位置，其波長就會遞減，能量需要相應地遞增，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)。量子物理學也可以用來解釋原子之間的化學鍵。

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

01、量子計算機

量子計算機的概念萌生于近二十余年，不過其起源可以追溯到上世紀70 年代物理學的幾項技術突破：首先是單個微觀物體的觀察和控制技術。在那之前，人類只能操縱大型粒子群，但現(xiàn)在可以捕獲單個電子或原子，觀察并控制它的行為，還可以發(fā)射單個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的理論框架內(nèi)才有可能出現(xiàn)。

兩個粒子在空間中相互作用后分離，會形成一個不可分割的量子整體。當整體包含的信息多于每個粒子本身所包含的信息之和時，就會發(fā)生糾纏。正是這個屬性讓量子計算在理論上成為可能：假設有幾個、數(shù)十個乃至上百個互相糾纏的粒子用于編碼量子信息，能存儲的數(shù)據(jù)量就會指數(shù)增加，遠超于傳統(tǒng)的存儲設備。

02、退相干現(xiàn)象——量子計算機研發(fā)的主要障礙

然而，我們距離理想中的量子計算機還有相當長的距離，因為現(xiàn)有的量子位（量子比特）并不穩(wěn)定，與環(huán)境相互作用時會發(fā)生所謂的“退相干”，一段時間后會自動恢復成經(jīng)典物理學物體，并失去所包含的量子信息。退相干是量子計算機的一個重大障礙，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，我們在有生之年就能看到量子計算機。

我堅信，遲早會出現(xiàn)一臺能完美運行的理想量子計算機。依我之見，只要一個目標不違背物理基本定律，工程師一定會找到實現(xiàn)的方法。當然，研發(fā)的過程需要時間，不可能一蹴而就。

03、基于隱形傳態(tài)的未來量子網(wǎng)絡

量子互聯(lián)網(wǎng)（更準確應稱為量子網(wǎng)絡），指包含兩個或多個量子計算機的網(wǎng)絡，計算機直接從量子態(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)在單個粒子和小型粒子群中得到了驗證，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，“降級版”量子計算機可能會首先出現(xiàn)。對于某些任務，例如著名的旅行推銷員問題、電力網(wǎng)絡優(yōu)化等優(yōu)化類問題，這種中等規(guī)模的量子計算機將比傳統(tǒng)計算機更高效。

04、第二次量子革命

“量子2.0”成為了當下的熱門概念，但我更愿意稱其為“第二次量子革命”，因為量子技術將具有顛覆意義。第一次量子革命主要是概念性、理論性的：科學家們發(fā)現(xiàn)了描述波粒二象性的新公式，加深了人類對物理世界的理解，并催生了一大批徹底改變社會的技術應用。第二次革命有兩個嶄新的基礎：一是隔離和控制單個量子物體的技術，二是讓量子顆粒發(fā)生糾纏、并將糾纏現(xiàn)象應用于實際場景的技術。

新的量子技術會像晶體管、激光一樣，讓人類社會發(fā)生重大變革嗎？現(xiàn)在做出這種判斷為時過早，但我認為企業(yè)應加大量子技術研發(fā)投資。如果新技術真的帶來了我們所期望的革命性進步，沒有提前投資的企業(yè)就會慘遭淘汰。此外，企業(yè)應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)與大學建立合作伙伴關系，攜手并進。

我們巴黎薩克雷大學有一個與巴黎綜合理工學院的合作項目，名為 ARTeQ，為理工科專業(yè)的學生提供量子通識教育，以便他們在未來的職業(yè)生涯中學以致用。該項目得到了來自企業(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、技術和技能培訓。