量子計算百年風(fēng)云史 “量子比特”何時統(tǒng)治世界？

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　　幾天前揭曉的諾貝爾物理學(xué)獎，頒給了美國普林斯頓大學(xué)和布朗大學(xué)的兩名學(xué)者，他們在20世紀(jì)70、80年代把拓?fù)洌═opology）這個數(shù)學(xué)概念引入物理學(xué)，做了“物質(zhì)拓?fù)湎嗯c拓?fù)湎噢D(zhuǎn)變”方面的理論研究，簡言之就是研究物質(zhì)的奇異狀態(tài)。諾貝爾組委會把電子學(xué)和超導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展歸功于他們，并稱“或?qū)⒂兄谖磥砹孔佑嬎銠C的發(fā)展”。

　　什么是量子計算，以及它的革命性在哪里？鈦媒體「特稿組」對量子計算的前世今生進行了詳細(xì)研究和梳理（《商業(yè)價值》10月刊封面文章），通過這篇文章，把我們對前沿科技領(lǐng)域的研究和你共享：

　　2016年8月16日，北京時間凌晨1時40分。

　　量子衛(wèi)星“墨子號”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空。 （拍攝：Reuters/China Daily）

　　中國的長征號系列火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心剛剛成功完成了它的第234次發(fā)射任務(wù)，這一次，它搭載的是“墨子號”量子實驗科學(xué)衛(wèi)星（QUESS，Quantum Experiments at Space Scale），這是世界上第一顆量子衛(wèi)星，也是人類首次通過衛(wèi)星實現(xiàn)地球和外太空之間的通信。

　　《紐約時報》（The New York Times）這樣評價墨子號的意義：這是中國為爭取站在量子研究最前沿而邁出的重要一步。

　　此時，距離我國量子衛(wèi)星正式立項也只過去了不到5年而已，距離潘建偉在2003年提出發(fā)射量子衛(wèi)星僅僅過去了13年時間，距離潘建偉回到國內(nèi)建立起了中國第一個操控光子的量子屬性的實驗室只有15年。

　　而查爾斯·本內(nèi)特（Charles Bennett）和吉爾斯·巴撒德（Gilles Brassard）在1984年提出第一份量子密鑰分發(fā)協(xié)議——即BB84協(xié)議——以及1948年克勞德·香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）建立現(xiàn)代信息理論則是僅僅是幾十年前的時間。

　　如果說香農(nóng)用數(shù)學(xué)定義了信息的概念，那么 BB84協(xié)議向大家展示了量子理論應(yīng)用到通信中的廣闊前景和巨大想象力，信息收發(fā)者通過量子頻道設(shè)定密鑰，而基于測不準(zhǔn)原理，任何覬覦信息的竊聽者都會破壞到數(shù)據(jù)使得收發(fā)雙方發(fā)現(xiàn)，這就保證了沒有任何人能夠在不被當(dāng)事人發(fā)現(xiàn)的情況下竊取信息。

　　這就是量子通信的基礎(chǔ)和最大優(yōu)勢，利用量子頻道的超高安全性和信息容量、傳輸速度上的優(yōu)勢來接發(fā)信息，這正是量子計算在現(xiàn)實世界中最具實踐場景、最具操作可行性的應(yīng)用之一。

　　事實上，直到30多年前，費曼才提出量子計算機的設(shè)想，而直到100多年前，在解決黑體輻射問題的過程中，普朗克發(fā)現(xiàn)了輻射量子化的現(xiàn)象，他假設(shè)能量只能在微小、各異、相互遠(yuǎn)離的能量包中進行釋放或吸收，才第一次提出了“量子”的概念。在此基礎(chǔ)上經(jīng)過后續(xù)半個多世紀(jì)的發(fā)展，量子理論發(fā)揚光大，它與經(jīng)典物理理論有著5個顯著不同的特性：

　　非決定論（indeterminism）

　　在牛頓體系中，只要知道觀測對象的初始位置和速度，就能預(yù)測它的軌跡，然而，在量子理論中，唯一能預(yù)測的只有可能性。

　　量子干涉（interference）

　　在波理論中，當(dāng)兩個相干（coherent）的波源疊加時變產(chǎn)生干涉，而在量子理論中，即使單粒子也能顯示出這樣的特性，因此，量子干涉使得波粒二象性存在所有物質(zhì)之中。

　　測不準(zhǔn)（uncertainty）

　　這是量子理論的核心，亦即我們無法同時了解到量子的位置和動量，而一旦對例子進行測量，則又會失去這些信息。

　　量子疊加（superposition）

　　一個量子可以同時處于兩種允許狀態(tài)的線性疊加狀態(tài)，這意味著一個量子可以同時處于這里或那里，在與外部環(huán)境發(fā)生關(guān)系的過程中，量子極容易喪失這一特性，而疊加態(tài)又是量子計算和量子通信的核心目標(biāo)。

　　量子糾纏（entanglement）

　　意指同時擁有多個量子的強量子關(guān)聯(lián)，1935年，愛因斯坦等人提出了 EPR 悖論來質(zhì)疑量子理論的完備性，并試圖以定域性隱變理論來替代量子理論，但是，1964年，貝爾不等式證明任何滿足 RPR 假設(shè)的兩個粒子經(jīng)典關(guān)聯(lián)必然在一定數(shù)量以下，而兩個糾纏態(tài)的量子并不符合此不等式，因此，量子糾纏無法用任何經(jīng)典關(guān)聯(lián)進行解釋，而只能是一種罕有的量子世界現(xiàn)象。

　　在量子理論發(fā)展的100多年時間里，我們將會看到圍繞著這些難以捉摸的現(xiàn)象和概念，那些在人類歷史上數(shù)一數(shù)二的天才們殫精竭慮為捍衛(wèi)自己的觀點而相互頡頏，而在二戰(zhàn)以后，量子理論的這些特性又是如何幫助現(xiàn)代的科學(xué)家們建立新的算法和應(yīng)用、如何利用量子通信、量子計算機等量子計算去想象世界的另一種可能性。

　　在歷史上，從來沒有一個理論像量子力學(xué)這樣如此深遠(yuǎn)地改變了世界的面貌，也從來沒有一門技術(shù)能像量子通信和量子計算這樣給予人類的未來如此無盡的想象力。

　　直至1989年，蒂姆·伯納斯·李（Tim Berners-Lee）才提出了“萬維網(wǎng)”（World Wide Web）的理念，因特網(wǎng)的最早雛形 ARPANET 在1969年就出現(xiàn)了，但直到1981年 CSNET 的建立以及次年 TCP/IP 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，它才真正突飛猛進地發(fā)展起來。

　　直到1994年，世界上第一臺嚴(yán)格意義上的智能手機才問世，1993年時，互聯(lián)網(wǎng)歷史上最原始的搜索引擎才誕生，而在1956年之前，甚至沒有人專門研究人工智能。

　　智能手機和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)驗告訴我們，技術(shù)或產(chǎn)品并不一定要依靠很長時間的積累和沉淀才能大獲成功，符合市場和消費者需求的必然成功。而人工智能的故事同時也啟示我們，突破技術(shù)本身的瓶頸究竟會是多么艱難而痛苦的漫長過程。

　　在橫跨過往3個世紀(jì)的時間里，量子計算的發(fā)展軌跡不只是關(guān)于科學(xué)和技術(shù)的歷史，不只是關(guān)于科學(xué)家的歷史，不只是歷史拼圖的一部分，從某種意義上來說，反而是歷史本身的軌跡構(gòu)成了它的發(fā)展和進化。

　　先聲

　　1820年4月21日夜，安徒生的密友、歷史上首次制作了鋁、被丹麥用來命名本國第一顆人造衛(wèi)星的物理學(xué)家奧斯特（Hans Christian rsted）在實驗過程中無意間發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流開啟時，離導(dǎo)線太近的指南針的磁針就會偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的程度輕微到在場的幾乎所有人都沒有注意到這個小小的細(xì)節(jié)，但是，奧斯特此時已經(jīng)意識到，這充滿偶然性的不期而遇的發(fā)現(xiàn)將電擊一般震驚世界。

　　和助手進行電磁實驗的奧斯特。 （Louis Figuier： Les merveilles de la science， ou Description populaire des inventions modernes （1867）， page 713）

　　抓住這瞬間的一次機會，僅僅3個月后，奧斯特就用拉丁文向全歐洲的大學(xué)投送了一篇4頁的報告《基于磁針的電流效應(yīng)之實驗》（Experimenta circa effecturn conflictus electrici in acum magneticam）。一個藥劑師的兒子就此顛覆了整個物理學(xué)的發(fā)展。

　　隨后安培（André-Marie Ampère）、法拉第（Michael Faraday）這些偉大的天才一直沒有放棄探究電磁背后的物理學(xué)的努力。到1831年，法拉第終于成功地使得機器驅(qū)動和磁力共同作用產(chǎn)生電力。而就在這一年，麥克斯韋（James Clerk Maxwell）也在愛丁堡出生。

　　安培的電磁理論是建立在他認(rèn)為電荷間存在超距作用力的基礎(chǔ)上的，而法拉第則堅持近距作用，然而，在亨利·卡文迪士（Henry Cavendish）及夏爾·庫倫（Charles Augustin de Coulomb）等人的研究下，遠(yuǎn)距作用被成功量化，并能成功解釋當(dāng)時的大部分物理現(xiàn)象。

　　在這樣的背景下，法拉第的力線、電緊張態(tài)（electrotonic state）等概念在當(dāng)時的物理學(xué)界并沒有受到多少重視和關(guān)注。然而天才的麥克斯韋很快就意識到法拉第思想的重要性，并試圖通過數(shù)學(xué)的方法進一步探索出電磁背后的關(guān)系。

　　1865年，年輕的麥克斯韋在一次會議上宣讀了他的論文《電磁場的動態(tài)理論》（A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field），在其中，他完全拋棄了牛頓的力學(xué)模型，完整地提出了電磁場理論，并率先提出了“場”（field）的概念，此外，麥克斯韋提出了電磁場的普遍方程組，其中包括20個方程式及20個變量，直到1890年，赫茲才給出了只有4個矢量方程的簡化方程組。

　　從某種角度上來說，正是麥克斯韋思想及其天才的方程組的漫長驗證過程促進了后來人對量子力學(xué)的理解和接受。

　　首先，兩派都不約而同地在數(shù)學(xué)語言上投入了大量的天賦和精力并取得了非凡的成就，就如麥克斯韋放棄了用力學(xué)模型來描述他的電磁場才使得其理論開辟出新的理論和應(yīng)用光輝一樣，量子力學(xué)則拋棄了使用文字而轉(zhuǎn)向幾何學(xué)來描述自然世界和物理。

　　其次，量子力學(xué)的物理學(xué)家們和麥克斯韋在理論體系的結(jié)構(gòu)上有著更深的相似，他們把宇宙分為兩層，第一層包括薛定諤的函數(shù)方程、海森堡矩陣及狄拉克的矢態(tài)，這一層能夠被精確計算卻無法被觀察，第二層則涵蓋輻射偏振強度、量子自旋等，它們無法被精確計算卻可以觀察。

　　麥克斯韋和量子力學(xué)一樣認(rèn)為自然寓于第一層的純粹數(shù)學(xué)世界之中，而人類則存在于第二層的力學(xué)世界里，因此，我們無法用第二層的語言去描述自然，而只有數(shù)學(xué)語言可以做到這一點。

　　物理學(xué)家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）這樣評價麥克斯韋的成就：“麥克斯韋理論的最大重要性并不只是直接把解釋和統(tǒng)一電磁現(xiàn)象，而在于提供了20世紀(jì)所有偉大物理發(fā)現(xiàn)的原型，這些偉大發(fā)現(xiàn)是愛因斯坦的相對論，是量子力學(xué)?！?/p>

　　1879年，麥克斯韋逝世，60年之后，那群意識到他的物理思想中的天才光輝的天才物理學(xué)家們——他們是薛定諤（Erwin Schr？dinger），是海森堡（Werner Karl Heisenberg），是狄拉克（Paul Dirac）——就如創(chuàng)世神一般開辟出了量子力學(xué)的新世紀(jì)。