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距離量子物理學(xué)誕生已經(jīng)過去120多年。誕生之后，隨之而來的第一次量子革命，催生出晶體管、激光、核磁共振、LED等一大批技術(shù)，這些技術(shù)的發(fā)展從根本上改變了人們的生活方式。
如今，第二次量子革命的序幕已經(jīng)悄悄拉開，很多大型企業(yè)也積極投入到量子領(lǐng)域。作為前瞻性領(lǐng)域，量子究竟是什么？又將帶領(lǐng)技術(shù)走向何處？
來源：視覺中國(guó)
量子力學(xué)：
微觀世界的“分身術(shù)”
量子是組成物質(zhì)和能量的離散的基本單位，是一個(gè)和經(jīng)典物理有很大區(qū)別的概念。想象一下，如果能進(jìn)入頭發(fā)絲的1000萬分之一大小的微型世界，我們會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)與能量會(huì)從一個(gè)個(gè)連續(xù)的量變成一個(gè)個(gè)離散的量。舉個(gè)例子，就像走上樓梯臺(tái)階，走上臺(tái)階的人只能站上第1個(gè)、第2個(gè)、第3個(gè)整數(shù)臺(tái)階，但是不能站在第1.6個(gè)或2.4個(gè)臺(tái)階上，因?yàn)椴环€(wěn)定。這種離散的物理學(xué)概念就是量子。
生活中，人們看到的太陽光、燈光等都是由一個(gè)個(gè)光子組成的，光子的能量極小，一個(gè)40瓦的燈泡通電后，一秒鐘就可以釋放出1萬億億個(gè)光子。而組成物質(zhì)的基本單位——原子，其特征尺度比納米還要小。目前，量子領(lǐng)域的多種技術(shù)能夠精確探測(cè)到如此小的物體和能量。
微觀尺度下的粒子遵循著什么樣的運(yùn)動(dòng)方式？它和我們熟悉的牛頓力學(xué)有什么不同？讓我們展開想象，用一個(gè)保齡球游戲來說明。
試想一下，假設(shè)保齡球道中間以“前三后一”的方式被放上幾塊擋板，保齡球只能從前面三塊擋板中間的兩道縫隙穿過去。很明顯，只有成功通過縫隙的保齡球才能在后面的擋板上留下撞擊痕跡，這些撞擊痕跡對(duì)應(yīng)著擋板形成的兩條縫隙，組成兩條條紋。
現(xiàn)在，讓我們把保齡球放在微觀領(lǐng)域——縮小到只有原子大小。在如此小的尺度下，保齡球游戲會(huì)產(chǎn)生什么不同的現(xiàn)象？在重復(fù)了幾百次、幾千次之后，狀況完全不一樣了：此時(shí)，擋板上的撞擊痕跡不再是兩條條紋，而是多條紋干涉現(xiàn)象。而后方擋板最中間，也就是被前方擋板擋住的部分，居然是“微觀保齡球”撞擊概率最高的地方。這其實(shí)是以“游戲”的方式描述了物理歷史上最經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)之一：?jiǎn)坞娮与p縫干涉實(shí)驗(yàn)。
上面的游戲展示了一個(gè)很奇怪的原理：在微觀領(lǐng)域，物體可以同時(shí)處于多種狀態(tài)。這就是量子力學(xué)的“相干疊加”原理。打個(gè)比方，這有點(diǎn)像《西游記》中孫悟空的“分身術(shù)”，“微觀保齡球”可以被看為變成了兩個(gè)“分身”，從兩道縫隙間同時(shí)穿過。這在宏觀世界中是匪夷所思的。
量子糾纏 來源：視覺中國(guó)
量子現(xiàn)象：
讓很多物理學(xué)家驚詫
量子相干疊加原理給量子計(jì)算在處理特定問題上提供了更強(qiáng)的計(jì)算能力。計(jì)算的基本單元叫作一個(gè)比特，也就是0或1，宏觀世界中它們非此即彼。如果科學(xué)家把量子保齡球游戲中的兩道狹縫的位置分別編碼為0和1，此時(shí)的0和1可以同時(shí)存在。那么，如果有兩個(gè)量子比特的話，就有00、01、10、11這4種狀態(tài)同時(shí)存在。如果有50個(gè)的話，就是2的50次方個(gè)狀態(tài)同時(shí)存在。以此類推，一個(gè)寄存器里會(huì)同時(shí)存在2的n次方種狀態(tài)。這些指數(shù)級(jí)的數(shù)據(jù)，通過量子并行處理和巧妙的算法設(shè)計(jì)，在特定問題上就可以實(shí)現(xiàn)量子加速。
在游戲中，有人可能想要觀測(cè)這些量子保齡球到底是從哪條縫隙過去的。這個(gè)時(shí)候一個(gè)更奇怪的現(xiàn)象就出現(xiàn)了，如果沒有觀測(cè)的話，多條紋狀的量子現(xiàn)象才會(huì)出現(xiàn)。一旦有了觀測(cè)，量子現(xiàn)象則會(huì)消失。也就是說，是否觀測(cè)量子系統(tǒng)會(huì)反過來影響物理系統(tǒng)本身的狀態(tài)。
這種量子現(xiàn)象也讓很多物理學(xué)家感到驚詫，例如薛定諤。為此他提出了“薛定諤的貓”假想實(shí)驗(yàn)：如果微觀世界相干疊加的限制可以轉(zhuǎn)移到宏觀物體，比如盒子中的一只貓，那么一只貓可以處于又死又活的狀態(tài)。直到打開盒子進(jìn)行觀測(cè)，盒里的貓會(huì)隨機(jī)坍縮到死或活的狀態(tài)。
愛因斯坦認(rèn)為，量子坍縮的隨機(jī)性是由于人類對(duì)物理世界的認(rèn)識(shí)不夠完整，未能發(fā)現(xiàn)隱藏的變量而導(dǎo)致的。1935年，他和另外幾位科學(xué)家提出了量子糾纏的概念，這也是經(jīng)典物理學(xué)世界中沒有的奇怪現(xiàn)象。量子世界中，兩只“薛定諤貓”如果處于糾纏態(tài)，無論它們被分離得有多遠(yuǎn)，甚至一只在地球上，一只在月球上，它們的狀態(tài)都是關(guān)聯(lián)的。華人女科學(xué)家吳健雄第一次在實(shí)驗(yàn)上做出了量子糾纏。
這種量子隨機(jī)性也為科學(xué)家們提供了量子加密的可能性。在單光子傳輸過程中，如果有人竊聽，那么竊聽行為會(huì)不可避免地使通信載體產(chǎn)生變化，這種變化必然會(huì)被察覺?？茖W(xué)家們希望利用物理學(xué)中一些可觀測(cè)的效應(yīng)，來解決傳統(tǒng)信息技術(shù)中的一些問題。
第二次量子革命催生出量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等多項(xiàng)成果。在遠(yuǎn)距離量子通信方面，我國(guó)目前領(lǐng)先于歐洲和美國(guó)5年以上，特別是我國(guó)在2016年8月16日成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——墨子號(hào)，并實(shí)現(xiàn)了千公里量級(jí)的量子通信。2022年諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)委員會(huì)在介紹獲獎(jiǎng)?wù)叩墓ぷ鲿r(shí)，也提到了由中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)完成的洲際量子通信實(shí)驗(yàn)。
墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星模型 來源：視覺中國(guó)
量子計(jì)算機(jī)：
展示了新的可能性
量子計(jì)算是后摩爾時(shí)代的一種新的計(jì)算范式，有望解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法完成的高復(fù)雜度計(jì)算難題。然而，從費(fèi)曼提出量子計(jì)算概念以來，整個(gè)領(lǐng)域40多年面臨的一個(gè)難題是：真正在技術(shù)上造出量子計(jì)算原型機(jī)，對(duì)特定問題的求解實(shí)現(xiàn)超級(jí)計(jì)算機(jī)無法比擬的算力。這個(gè)歷史性里程碑目標(biāo)被稱為“量子計(jì)算優(yōu)越性”，成為了國(guó)際激烈角逐的焦點(diǎn)。
量子計(jì)算機(jī)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)極其激烈，谷歌團(tuán)隊(duì)從2014年開始，砸下10億美元，從美國(guó)加州大學(xué)挖走整個(gè)團(tuán)隊(duì)，在此基礎(chǔ)上組建了200人的大團(tuán)隊(duì)。2019年年底，谷歌宣布成功設(shè)計(jì)、構(gòu)建了名為“懸鈴木”的53量子比特處理器。
面對(duì)這一強(qiáng)敵，筆者與同事組建了主要由“90后”和“95后”構(gòu)成的團(tuán)隊(duì)，利用不到谷歌1%的經(jīng)費(fèi)，完成了從理論創(chuàng)新到關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，突破了高性能量子光源、超低損耗量子線路和量子探測(cè)等核心技術(shù)。2020年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和構(gòu)建的76個(gè)光子量子計(jì)算原型機(jī)“九章”誕生。研究顯示，“九章”等效地比“懸鈴木”快100億倍。
隨后，從激光概念得到啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)嘗試通過受激輻射把量子光放大。2021年，113個(gè)光子144模式的量子計(jì)算原型機(jī)“九章二號(hào)”誕生?！熬耪露?hào)”求解高斯玻色取樣數(shù)學(xué)問題比目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快億億億倍。2023年10月，255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章三號(hào)”，再度刷新了光量子信息的技術(shù)水平和“量子計(jì)算優(yōu)越性”的世界紀(jì)錄。
同時(shí)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用了一個(gè)與谷歌團(tuán)隊(duì)相同的路線，組建了一個(gè)56個(gè)比特和60個(gè)比特的“祖沖之”號(hào)超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī)，使我國(guó)成為了唯一在兩種主流的物理體系上都實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性的國(guó)家。
國(guó)際學(xué)術(shù)界對(duì)谷歌“懸鈴木”和我國(guó)“九章”量子計(jì)算原型機(jī)都給予了高度評(píng)價(jià)：雖然這些最原始的量子計(jì)算原型機(jī)還不能直接產(chǎn)生實(shí)際的應(yīng)用，但是它就像萊特兄弟的飛行機(jī)首飛一樣，第一次展示了一種新的可能性。
下一步，研究人員想要實(shí)現(xiàn)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的專用量子模擬機(jī)研究，最終通過15至20年的努力，成功構(gòu)建超過十萬、百萬甚至千萬比特通用的量子計(jì)算機(jī)，科學(xué)家需要運(yùn)用量子糾錯(cuò)的方法，把錯(cuò)誤率下降到百億分之一左右，才能做2048位的大數(shù)分解，這是科學(xué)家需要攀登的另一座高峰。
量子信息、量子計(jì)算起源于物理學(xué)、數(shù)學(xué)、信息、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的交叉。比如量子密碼的產(chǎn)生就是物理學(xué)家和計(jì)算機(jī)學(xué)家碰撞出的結(jié)果。這門科學(xué)需要更廣泛的多學(xué)科學(xué)者幫助和積極參與，助力學(xué)科發(fā)展。
目前，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的“95后”甚至“00后”的研究生們正在攻關(guān)下一代3000個(gè)光子量子計(jì)算原型機(jī)“九章四號(hào)”。從他們身上，我們看到了中國(guó)量子科學(xué)未來的希望。
（作者陸朝陽系中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)講席教授，記者李春劍整理）
責(zé)任編輯：胡惠雯
