跟随诺奖得主，走近量子物理学

跟随诺奖得主，走近量子物理学

Alain Aspect

2022年诺贝尔物理学奖得主、巴黎萨克雷大学

高等光学研究院教授、巴黎综合理工学院教授

2022年诺贝尔物理学奖由 Alain Aspect、John F. Clauser 和 Anton Zeilinger 三位科学家共同获得，他们通过量子纠缠实验进一步证明了量子力学的正确性，使得量子信息系统成为一门真正的科学，这将进一步推动量子计算机的发展。量子计算机和量子物理学到底怎么回事？量子计算机和传统计算机有什么区别？

• 自 20 世纪以来，量子物理学彻底改变了人类对物理学基本原理的认识，让我们以全新的视角看待物质、电流、化学键。

• 实际上，量子物理学使得我们能够研究和控制单个微观物体。

• 近二十年，由于量子孤立原理和纠缠现象的发现，掀起了“第二次量子革命”。

• 量子计算机的问世，有望改变现代世界的各个方面。

• 未来迫切需要培养更多的量子物理学人才，才能顺应该领域的快速发展趋势。

量子物理学是描述电子、原子、分子、晶体等微观粒子的物理定律。我们在宏观世界熟悉的牛顿力学定律在纳米尺度（十亿分之一米，大致相当于原子的大小）的微观世界里不再有效。20 世纪上半叶普朗克和爱因斯坦对量子物理学的发展作出了巨大贡献，从 1925 年起，伟大的物理学家海森堡、薛定谔和狄拉克将量子物理进一步数学公式化，并一直沿用至今。

量子物理学对于解释物质的稳定性至关重要。19世纪末，人类发现原子是由正电荷和负电荷组成，且正电荷和负电荷相互吸引，碰撞后会泯灭。既然如此，作为物质基础的原子怎么还能存在呢？这都是因为电子的量子特质：电子不仅是粒子，而且是波。当你试图限制电子的空间位置，其波长就会递减，能量需要相应地递增，但由于电子无处获得大量能量，所以不能被限制在小于原子尺寸的空间内。量子物理学也可以用来解释原子之间的化学键。

量子物理的原理进行数学公式化后，能在微观层面上计算材料中的电流，人们借此发明出了晶体管和集成电路，作为现代计算机的基础。量子物理学还阐明了物质吸收、发射光子（光粒子）的原理，从而催生了激光设备的发明。

01

量子计算机

量子计算机的概念萌生于近二十余年，不过其起源可以追溯到上世纪70 年代物理学的几项技术突破：首先是单个微观物体的观察和控制技术。在那之前，人类只能操纵大型粒子群，但现在可以捕获单个电子或原子，观察并控制它的行为，还可以发射单个光子并利用它的特性。其次是量子纠缠理论。爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在 1935 年发表的一篇论文中首次描述了量子纠缠，该现象只有在量子物理学的理论框架内才有可能出现。

两个粒子在空间中相互作用后分离，会形成一个不可分割的量子整体。当整体包含的信息多于每个粒子本身所包含的信息之和时，就会发生纠缠。正是这个属性让量子计算在理论上成为可能：假设有几个、数十个乃至上百个互相纠缠的粒子用于编码量子信息，能存储的数据量就会指数增加，远超于传统的存储设备。

02

退相干现象——量子计算机研发的主要障碍

然而，我们距离理想中的量子计算机还有相当长的距离，因为现有的量子位（量子比特）并不稳定，与环境相互作用时会发生所谓的“退相干”，一段时间后会自动恢复成经典物理学物体，并失去所包含的量子信息。退相干是量子计算机的一个重大障碍，需要极大的研发力度才有可能克服。不过，也有一些“捷径”：例如寻找免受退相干影响的量子态子空间。如果能成功，我们在有生之年就能看到量子计算机。

我坚信，迟早会出现一台能完美运行的理想量子计算机。依我之见，只要一个目标不违背物理基本定律，工程师一定会找到实现的方法。当然，研发的过程需要时间，不可能一蹴而就。

03

基于隐形传态的未来量子网络

量子互联网（更准确应称为量子网络），指包含两个或多个量子计算机的网络，计算机直接从量子态发送量子信息相互通信，无需通过中间经典物理状态。此类网络信息传输量极大，其原理是“量子隐形传态过程”，已经在单个粒子和小型粒子群中得到了验证，但传输距离只能在几十公里以内。

如果退相干问题在短期内得不到解决，“降级版”量子计算机可能会首先出现。对于某些任务，例如著名的旅行推销员问题、电力网络优化等优化类问题，这种中等规模的量子计算机将比传统计算机更高效。

04

第二次量子革命

“量子2.0”成为了当下的热门概念，但我更愿意称其为“第二次量子革命”，因为量子技术将具有颠覆意义。第一次量子革命主要是概念性、理论性的：科学家们发现了描述波粒二象性的新公式，加深了人类对物理世界的理解，并催生了一大批彻底改变社会的技术应用。第二次革命有两个崭新的基础：一是隔离和控制单个量子物体的技术，二是让量子颗粒发生纠缠、并将纠缠现象应用于实际场景的技术。

新的量子技术会像晶体管、激光一样，让人类社会发生重大变革吗？现在做出这种判断为时过早，但我认为企业应加大量子技术研发投资。如果新技术真的带来了我们所期望的革命性进步，没有提前投资的企业就会惨遭淘汰。此外，企业应广泛招募量子物理专家，但此类人才存在缺口，故我建议企业与大学建立合作伙伴关系，携手并进。

我们巴黎萨克雷大学有一个与巴黎综合理工学院的合作项目，名为 ARTeQ，为理工科专业的学生提供量子通识教育，以便他们在未来的职业生涯中学以致用。该项目得到了来自企业界的慷慨资助。

未来的世界需要量子研究者，也需要量子工程师和技术工人。这意味着我们从现在开始就要投资于量子物理的研究、技术和技能培训。

作者

Isabelle Dumé

Meister Xia