文｜創(chuàng)瞰巴黎 Isabelle Dumé
編輯｜Meister Xia
Laurent Sanchez-Palencia
法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）量子物理學(xué)研究主任、巴黎綜合理工大學(xué)教授
導(dǎo)讀
巴黎綜合理工大學(xué)教授Laurent Sanchez-Palencia的課題組正在量子尺度上研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)。在量子的微觀世界里，有怎樣的神奇現(xiàn)象？量子與信息加密有什么關(guān)系？量子有哪些優(yōu)勢？“量子優(yōu)勢”如何實現(xiàn)？研究量子技術(shù)有哪些應(yīng)用場景？
一覽：
- 目前，學(xué)者正在對“準(zhǔn)周期”材料的活動進(jìn)行建模。此類材料很復(fù)雜，無法在原子尺度上進(jìn)行研究。
- 學(xué)者想要探索當(dāng)原子之間的相互作用導(dǎo)致新的量子相（如玻色玻璃）出現(xiàn)時，會產(chǎn)生什么效應(yīng)。
- 糾纏是一種量子現(xiàn)象，測量一個粒子的狀態(tài)，就能知道其糾纏伴侶的狀態(tài)。
- 量子計算機(jī)至少需要使用幾十萬個量子位（量子比特），才能具有“量子優(yōu)勢”。
- 當(dāng)前技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙是量子退相干現(xiàn)象：這是量子位與環(huán)境相互作用的結(jié)果，破壞了它們的糾纏。
巴黎綜合理工大學(xué)教授Laurent Sanchez-Palencia的課題組正在量子尺度上研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)，在量子的微觀世界里，波和粒子效應(yīng)（如干涉和糾纏）相互交織，粒子之間的相互作用很強(qiáng)烈。Sanchez-Palencia還參與了巴黎綜合理工學(xué)院和巴黎綜合理工大學(xué)的量子技術(shù)課程的開發(fā)。
課題組目前正在對量子進(jìn)行模擬，以了解“準(zhǔn)周期”材料在低溫下的行為規(guī)律。由于這些材料太復(fù)雜，無法在原子尺度上完全描述，只有使用量子模擬才能更深入地理解，這與高溫超導(dǎo)體和量子磁學(xué)的情況類似。
極小模型的理論結(jié)果可以在被稱為“光學(xué)晶格”的可控系統(tǒng)中進(jìn)行實際實驗并測試?！肮鈱W(xué)晶格”由溫度極低（10-10K）的原子組成，并通過激光束固定在一起。適當(dāng)數(shù)量的激光束在平面上指向同一方向時，會生成一個奇異的系統(tǒng)，介于有序和無序之間（在長維度上有序但非周期性有序），即所謂的準(zhǔn)周期系統(tǒng)。
01 玻色玻璃”量子相
學(xué)者正在研究當(dāng)原子間的相互作用導(dǎo)致“玻色玻璃”（一種新量子相）出現(xiàn)時，會發(fā)生什么現(xiàn)象。玻色玻璃是一種特殊類型的絕緣體，理論上只應(yīng)出現(xiàn)在無序或準(zhǔn)周期的結(jié)構(gòu)中。標(biāo)準(zhǔn)絕緣體的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間有一個能級。這意味著只有強(qiáng)大的電場才能激發(fā)電荷并使其運動。在玻色玻璃中，沒有這樣的能級，但電荷被限制在非常局部的區(qū)域，不允許電流流動。
玻色玻璃最早是在20世紀(jì)80年代末被預(yù)測到的，但從未在實驗中明確地觀察到，即使在冷原子系統(tǒng)中也是如此。事實上，冷原子從來都不是完全冷的，即使在低至10-9K的溫度，熱波動也會破壞量子相。然而，Sanchez-Palencia的課題組最近做出了一個大膽的預(yù)測：盡管存在熱波動，玻色玻璃仍可以穩(wěn)定下來并被觀察到。他們目前正在設(shè)計一個實驗，希望觀察到這種奇異的相態(tài)。
玻色玻璃有許多神奇的特質(zhì)。例如，它們通常是非遍歷系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的遍歷系統(tǒng)相反。在遍歷系統(tǒng)中，每一個粒子都會經(jīng)過可支配空間中的每一個點至少一次，從而達(dá)到熱力學(xué)平衡。19世紀(jì)末提出的玻爾茲曼理論很好地描述了這種情況。迄今為止的觀測數(shù)據(jù)顯示，無論是微米級別的物體，還是恒星、星系尺寸的物體，都符合遍歷系統(tǒng)的規(guī)律：系統(tǒng)在所有可能的狀態(tài)之間切換，沿著允許它快速切換的路徑波動。但是，在非遍歷系統(tǒng)中，這種遍歷性被系統(tǒng)中的不均勻性所阻止。因此，此類系統(tǒng)被困在一個包含其可能狀態(tài)的子集中，遠(yuǎn)離平衡。
02 糾纏現(xiàn)象與信息加密
糾纏是Sanchez-Palencia課題組研究的另一個純量子現(xiàn)象。兩個或兩個以上的粒子可以具有比經(jīng)典物理學(xué)所允許的更強(qiáng)的相關(guān)性。例如，量子粒子的可觀測性質(zhì)通常是不確定的，因此測量結(jié)果是隨機(jī)變化的。然而，當(dāng)粒子糾纏時，無論粒子之間的距離如何，只要確定一個粒子的狀態(tài)，就能立即決定另一個粒子的狀態(tài)。愛因斯坦稱量子糾纏為強(qiáng)大的“遠(yuǎn)距離靈異現(xiàn)象”，似乎超越了空間和時間。利用這一現(xiàn)象，只要測量一個粒子的狀態(tài)（比如一個電子的自旋），就能確定其糾纏對象狀態(tài)（另一個電子的自旋），不需要觀測。
作為一種驚人的遠(yuǎn)距離效應(yīng)，量子糾纏的應(yīng)用才剛剛起步，暫時還局限于通訊加密。簡單地說，假設(shè)發(fā)送方和接收方共享一對糾纏對，測量結(jié)果隨機(jī)但相同。為了攔截通信，竊聽者也必須進(jìn)行測量，測量結(jié)果同樣是隨機(jī)的，但重點是，竊聽行為會改變糾纏配對，導(dǎo)致發(fā)送器和接收器的測量不再相關(guān)——收發(fā)雙方可以通過比對各自測量結(jié)果來驗證。量子糾纏加密方法的優(yōu)勢在于，以往很難探測到的竊聽，在量子世界基本定律下暴露無遺。
量子測量結(jié)果隨機(jī)性的其他應(yīng)用，還包括制造完全隨機(jī)數(shù)生成器和完全隨機(jī)密鑰等。
03 量子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化之路
量子隨機(jī)數(shù)生成器現(xiàn)已實現(xiàn)了市場化，使用該技術(shù)的首款手機(jī)也已問世。糾纏態(tài)所能承載的信息量大得驚人，遠(yuǎn)多于單個粒子，故量子糾纏也可用于密集編碼。
單個粒子只能包含了關(guān)于其自身狀態(tài)的信息，而一群粒子的子集可以無限多，每個子集都包含粒子之間相關(guān)性的信息。這種效應(yīng)允許在量子比特（又稱量子位）結(jié)構(gòu)中編碼海量信息。標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)二進(jìn)制位只能取0或1的值，而量子位可以同時取兩個值，也可以取0和1的任意組合。
04 “量子優(yōu)勢”如何實現(xiàn)？
量子比特將是未來量子計算機(jī)的基本組成部分。利用它們的量子特性，特別是糾纏，可以解決復(fù)雜的計算問題，使設(shè)備的計算速度超過當(dāng)今最強(qiáng)大的計算機(jī)，讓計算能力指數(shù)級增長。量子比特可以由多種現(xiàn)有材料平臺制造，例如超導(dǎo)量子位、原子捕獲、離子捕獲。未來還會有更多制造手段，比如使用光子量子處理器。
近年來量子比特技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展。然而，在量子計算機(jī)能使用幾十萬到幾百萬個量子位之前，無法形成真正的“量子優(yōu)勢”。當(dāng)前的技術(shù)只能制造出大約一百個量子位的計算機(jī)，未來還有很長的路要走。
“當(dāng)前的技術(shù)只能制造出大約一百個量子位的計算機(jī)?！?/p>
量子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙是量子退相干現(xiàn)象：量子位與其環(huán)境相互作用，會破壞糾纏。為了避免或者至少限制這種情況，通常有必要在接近0K的溫度下操作量子位，保護(hù)它們免受環(huán)境影響。從原理而言，大規(guī)模量子計算機(jī)的誕生不存在障礙，但仍有一些實際問題需要解決，比如是否可以從根本上克服退相干，以及一些工藝上的挑戰(zhàn)?？v觀世界各地，許多國家政府和私人投資者都在斥資尋求解決方案。
在短期內(nèi)，制造對退相干不太敏感的量子模擬器或許更有前景。量子模擬器可以理解為專用量子計算機(jī)，其架構(gòu)為某些特定任務(wù)而優(yōu)化。量子模擬器特別擅長求解多變量函數(shù)的最小值，很適合那些使用且需要優(yōu)化復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)。此類網(wǎng)絡(luò)包含大量變量，量子模擬器可以以傳統(tǒng)計算機(jī)無法實現(xiàn)的方式對其進(jìn)行優(yōu)化。
發(fā)展量子計算所需的大部分技術(shù)都已存在，現(xiàn)在的問題是為量子計算尋找有經(jīng)濟(jì)效益的應(yīng)用場景，畢竟它昂貴且耗能高。不過，量子計算可以有極廣的應(yīng)用范圍，遠(yuǎn)超出我們的想象。近年的研究突破有望催生一系列全新、顛覆性的技術(shù)。Sanchez-Palencia常提醒學(xué)生，不僅要研究量子計算機(jī)，還需要研究其輔助配套技術(shù)。后者也許微不足道，但對于新型量子技術(shù)的萌生不可或缺。
05 巴黎綜合理工學(xué)院的量子技術(shù)基礎(chǔ)教育
目前，各個層次的學(xué)習(xí)者都迫切需要接受量子力學(xué)科普和教育，而這正是巴黎綜合理工學(xué)院物理教學(xué)多年來的一大工作重點。所有的學(xué)生，無論是否有意攻讀物理或工科類專業(yè)，在入學(xué)的第一年都必須完成量子力學(xué)相關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)校的這份堅持已經(jīng)產(chǎn)生了積極效應(yīng)：當(dāng)前法國許多量子力學(xué)領(lǐng)域的初創(chuàng)企業(yè)都是由巴黎綜合理工學(xué)院的畢業(yè)生創(chuàng)辦的。
為了讓學(xué)生們做好準(zhǔn)備迎接量子技術(shù)新發(fā)展，巴黎綜合理工學(xué)院幾年前開設(shè)了“量子科學(xué)與技術(shù)”課程，帶領(lǐng)學(xué)生了解量子物理學(xué)最前沿的研究成果，特別是糾纏效應(yīng)及其應(yīng)用方式。課程還介紹了基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)的關(guān)系：盡管媒體報道中的量子技術(shù)神乎其神，但量子物理學(xué)仍處于萌芽階段，需要深入了解、繼續(xù)開發(fā)的內(nèi)容還有很多。
巴黎綜合理工學(xué)院的碩士和博士專業(yè)與巴黎綜合理工大學(xué)（IP Paris）的各大學(xué)院密切合作，力爭從全球各地招募最優(yōu)秀的生源。碩士一年級的學(xué)生能直接加入大學(xué)院校的課題組，以加強(qiáng)學(xué)習(xí)和研究實踐的結(jié)合。此外，大學(xué)院校近日推出了量子力學(xué)繼續(xù)教育課程，專門針對沒有相關(guān)專業(yè)背景的工程技術(shù)人員。此類課程還特別適合剛剛涉入量子領(lǐng)域，需要掌握具體技能的企業(yè)管理者和產(chǎn)品研發(fā)人員，無論是來自中小企業(yè)還是大型企業(yè)。
巴黎綜合理工大學(xué)還與巴黎薩克雷大學(xué)的薩克雷量子研究所開展重點量子學(xué)研究，雙方優(yōu)勢互補。在國家層面，去年法國國家科研署新成立了一個量子技術(shù)聯(lián)盟。