文｜創(chuàng)瞰巴黎 Isabelle Dumé
編輯｜Meister Xia
Laurent Sanchez-Palencia
法國(guó)國(guó)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(shì)？“量子優(yōu)勢(shì)”如何實(shí)現(xiàn)？研究量子技術(shù)有哪些應(yīng)用場(chǎng)景？
一覽：
- 目前，學(xué)者正在對(duì)“準(zhǔn)周期”材料的活動(dòng)進(jìn)行建模。此類材料很復(fù)雜，無(wú)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生什么效應(yīng)。
- 糾纏是一種量子現(xiàn)象，測(cè)量一個(gè)粒子的狀態(tài)，就能知道其糾纏伴侶的狀態(tài)。
- 量子計(jì)算機(jī)至少需要使用幾十萬(wàn)個(gè)量子位（量子比特），才能具有“量子優(yōu)勢(shì)”。
- 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(kāi)發(fā)。
課題組目前正在對(duì)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(wú)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(shí)際實(shí)驗(yàn)并測(cè)試。“光學(xué)晶格”由溫度極低（10-10K）的原子組成，并通過(guò)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(shí)，會(huì)生成一個(gè)奇異的系統(tǒng)，介于有序和無(wú)序之間（在長(zhǎng)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(shí)，會(huì)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(wú)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(gè)能級(jí)。這意味著只有強(qiáng)大的電場(chǎng)才能激發(fā)電荷并使其運(yùn)動(dòng)。在玻色玻璃中，沒(méi)有這樣的能級(jí)，但電荷被限制在非常局部的區(qū)域，不允許電流流動(dòng)。
玻色玻璃最早是在20世紀(jì)80年代末被預(yù)測(cè)到的，但從未在實(shí)驗(yàn)中明確地觀察到，即使在冷原子系統(tǒng)中也是如此。事實(shí)上，冷原子從來(lái)都不是完全冷的，即使在低至10-9K的溫度，熱波動(dòng)也會(huì)破壞量子相。然而，Sanchez-Palencia的課題組最近做出了一個(gè)大膽的預(yù)測(cè)：盡管存在熱波動(dòng)，玻色玻璃仍可以穩(wěn)定下來(lái)并被觀察到。他們目前正在設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，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(gè)粒子都會(huì)經(jīng)過(guò)可支配空間中的每一個(gè)點(diǎn)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(cè)數(shù)據(jù)顯示，無(wú)論是微米級(jí)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(dòng)。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(gè)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(gè)純量子現(xiàn)象。兩個(gè)或兩個(gè)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(cè)性質(zhì)通常是不確定的，因此測(cè)量結(jié)果是隨機(jī)變化的。然而，當(dāng)粒子糾纏時(shí)，無(wú)論粒子之間的距離如何，只要確定一個(gè)粒子的狀態(tài)，就能立即決定另一個(gè)粒子的狀態(tài)。愛(ài)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(shí)間。利用這一現(xiàn)象，只要測(cè)量一個(gè)粒子的狀態(tài)（比如一個(gè)電子的自旋），就能確定其糾纏對(duì)象狀態(tài)（另一個(gè)電子的自旋），不需要觀測(cè)。
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(shí)還局限于通訊加密。簡(jiǎn)單地說(shuō)，假設(shè)發(fā)送方和接收方共享一對(duì)糾纏對(duì)，測(cè)量結(jié)果隨機(jī)但相同。為了攔截通信，竊聽(tīng)者也必須進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果同樣是隨機(jī)的，但重點(diǎn)是，竊聽(tīng)行為會(huì)改變糾纏配對(duì)，導(dǎo)致發(fā)送器和接收器的測(cè)量不再相關(guān)——收發(fā)雙方可以通過(guò)比對(duì)各自測(cè)量結(jié)果來(lái)驗(yàn)證。量子糾纏加密方法的優(yōu)勢(shì)在于，以往很難探測(cè)到的竊聽(tīng)，在量子世界基本定律下暴露無(wú)遺。
量子測(cè)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(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)化，使用該技術(shù)的首款手機(jī)也已問(wèn)世。糾纏態(tài)所能承載的信息量大得驚人，遠(yuǎn)多于單個(gè)粒子，故量子糾纏也可用于密集編碼。
單個(gè)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(wú)限多，每個(gè)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(jì)算機(jī)二進(jìn)制位只能取0或1的值，而量子位可以同時(shí)取兩個(gè)值，也可以取0和1的任意組合。
04 “量子優(yōu)勢(shì)”如何實(shí)現(xiàn)？
量子比特將是未來(lái)量子計(jì)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(jì)算問(wèn)題，使設(shè)備的計(jì)算速度超過(guò)當(dāng)今最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，讓計(jì)算能力指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。量子比特可以由多種現(xiàn)有材料平臺(tái)制造，例如超導(dǎo)量子位、原子捕獲、離子捕獲。未來(lái)還會(huì)有更多制造手段，比如使用光子量子處理器。
近年來(lái)量子比特技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)展。然而，在量子計(jì)算機(jī)能使用幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)個(gè)量子位之前，無(wú)法形成真正的“量子優(yōu)勢(shì)”。當(dāng)前的技術(shù)只能制造出大約一百個(gè)量子位的計(jì)算機(jī)，未來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。
“當(dāng)前的技術(shù)只能制造出大約一百個(gè)量子位的計(jì)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(huì)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(jì)算機(jī)的誕生不存在障礙，但仍有一些實(shí)際問(wèn)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(guó)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(duì)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(jì)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(zhǎng)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(jì)算機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。
發(fā)展量子計(jì)算所需的大部分技術(shù)都已存在，現(xiàn)在的問(wèn)題是為量子計(jì)算尋找有經(jīng)濟(jì)效益的應(yīng)用場(chǎng)景，畢竟它昂貴且耗能高。不過(guò)，量子計(jì)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(jì)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(duì)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(gè)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(lái)的一大工作重點(diǎn)。所有的學(xué)生，無(wú)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(jiān)持已經(jīng)產(chǎn)生了積極效應(yīng)：當(dāng)前法國(guó)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(kāi)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(kāi)發(fā)的關(guān)系：盡管媒體報(bào)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(kāi)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(zhēng)從全球各地招募最優(yōu)秀的生源。碩士一年級(jí)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(shí)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(mén)針對(duì)沒(méi)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(wú)論是來(lái)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(kāi)展重點(diǎn)量子學(xué)研究，雙方優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。在國(guó)家層面，去年法國(guó)國(guó)家科研署新成立了一個(gè)量子技術(shù)聯(lián)盟。