量子計(jì)算百年風(fēng)云史 “量子比特”何時(shí)統(tǒng)治世界？

　　注：讀完下面這篇文章（全文15000字）要花費(fèi)的時(shí)間可能要比我們預(yù)計(jì)的 10min 還要長(zhǎng)，但我們必須強(qiáng)烈推薦給你。

　　幾天前揭曉的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，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?cè)?0世紀(jì)70、80年代把拓?fù)洌═opology）這個(gè)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(jiǎn)言之就是研究物質(zhì)的奇異狀態(tài)。諾貝爾組委會(huì)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?jì)算機(jī)的發(fā)展”。

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

　　2016年8月16日，北京時(shí)間凌晨1時(shí)40分。

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

　　中國的長(zhǎng)征號(hào)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(hào)”量子實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)地球和外太空之間的通信。

　　《紐約時(shí)報(bào)》（The New York TImes）這樣評(píng)價(jià)墨子號(hào)的意義：這是中國為爭(zhēng)取站在量子研究最前沿而邁出的重要一步。

　　此時(shí)，距離我國量子衛(wèi)星正式立項(xiàng)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(shí)間，距離潘建偉回到國內(nèi)建立起了中國第一個(gè)操控光子的量子屬性的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(cè)不準(zhǔn)原理，任何覬覦信息的竊聽者都會(huì)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(shì)，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(shì)來接發(fā)信息，這正是量子計(jì)算在現(xiàn)實(shí)世界中最具實(shí)踐場(chǎng)景、最具操作可行性的應(yīng)用之一。

　　事實(shí)上，直到30多年前，費(fèi)曼才提出量子計(jì)算機(jī)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(jìn)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(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，量子理論發(fā)揚(yáng)光大，它與經(jīng)典物理理論有著5個(gè)顯著不同的特性：

　　非決定論（indeterminism）

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

　　量子干涉（interference）

　　在波理論中，當(dāng)兩個(gè)相干（coherent）的波源疊加時(shí)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(cè)不準(zhǔn)（uncertainty）

　　這是量子理論的核心，亦即我們無法同時(shí)了解到量子的位置和動(dòng)量，而一旦對(duì)例子進(jìn)行測(cè)量，則又會(huì)失去這些信息。

　　量子疊加（superposiTIon）

　　一個(gè)量子可以同時(shí)處于兩種允許狀態(tài)的線性疊加狀態(tài)，這意味著一個(gè)量子可以同時(shí)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(jì)算和量子通信的核心目標(biāo)。

　　量子糾纏（entanglement）

　　意指同時(shí)擁有多個(gè)量子的強(qiáng)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(gè)粒子經(jīng)典關(guān)聯(lián)必然在一定數(shù)量以下，而兩個(gè)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(jìn)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(shí)間里，我們將會(huì)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(diǎn)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(jì)算機(jī)等量子計(jì)算去想象世界的另一種可能性。

　　在歷史上，從來沒有一個(gè)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(jì)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(jìn)地發(fā)展起來。

　　直到1994年，世界上第一臺(tái)嚴(yán)格意義上的智能手機(jī)才問世，1993年時(shí)，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(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)告訴我們，技術(shù)或產(chǎn)品并不一定要依靠很長(zhǎng)時(shí)間的積累和沉淀才能大獲成功，符合市場(chǎng)和消費(fèi)者需求的必然成功。而人工智能的故事同時(shí)也啟示我們，突破技術(shù)本身的瓶頸究竟會(huì)是多么艱難而痛苦的漫長(zhǎng)過程。

　　在橫跨過往3個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，量子計(jì)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(jìn)化。

　　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(shí)驗(yàn)過程中無意間發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流開啟時(shí)，離導(dǎo)線太近的指南針的磁針就會(huì)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的程度輕微到在場(chǎng)的幾乎所有人都沒有注意到這個(gè)小小的細(xì)節(jié)，但是，奧斯特此時(shí)已經(jīng)意識(shí)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(jìn)行電磁實(shí)驗(yàn)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(jī)會(huì)，僅僅3個(gè)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(bào)告《基于磁針的電流效應(yīng)之實(shí)驗(yàn)》（Experimenta circa effecturn conflictus electrici in acum magneticam）。一個(gè)藥劑師的兒子就此顛覆了整個(gè)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(jī)器驅(qū)動(dòng)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(jiān)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(shí)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(shí)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(shí)到法拉第思想的重要性，并試圖通過數(shù)學(xué)的方法進(jìn)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(huì)議上宣讀了他的論文《電磁場(chǎng)的動(dòng)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(chǎng)理論，并率先提出了“場(chǎng)”（field）的概念，此外，麥克斯韋提出了電磁場(chǎng)的普遍方程組，其中包括20個(gè)方程式及20個(gè)變量，直到1890年，赫茲才給出了只有4個(gè)矢量方程的簡(jiǎn)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(zhǎng)驗(yàn)證過程促進(jìn)了后來人對(duì)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(chǎng)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(jì)算卻無法被觀察，第二層則涵蓋輻射偏振強(qiáng)度、量子自旋等，它們無法被精確計(jì)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(diǎn)。

　　物理學(xué)家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）這樣評(píng)價(jià)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(duì)論，是量子力學(xué)。”

　　1879年，麥克斯韋逝世，60年之后，那群意識(shí)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)。