量子计算百年风云史 “量子比特”何时统治世界？

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　　几天前揭晓的诺贝尔物理学奖，颁给了美国普林斯顿大学和布朗大学的两名学者，他们在20世纪70、80年代把拓扑（Topology）这个数学概念引入物理学，做了“物质拓扑相与拓扑相转变”方面的理论研究，简言之就是研究物质的奇异状态。诺贝尔组委会把电子学和超导体领域的发展归功于他们，并称“或将有助于未来量子计算机的发展”。

　　什么是量子计算，以及它的革命性在哪里？钛媒体「特稿组」对量子计算的前世今生进行了详细研究和梳理（《商业价值》10月刊封面文章），通过这篇文章，把我们对前沿科技领域的研究和你共享：

　　2016年8月16日，北京时间凌晨1时40分。

　　量子卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功升空。 （拍摄：Reuters/China Daily）

　　中国的长征号系列火箭在酒泉卫星发射中心刚刚成功完成了它的第234次发射任务，这一次，它搭载的是“墨子号”量子实验科学卫星（QUESS，Quantum Experiments at Space Scale），这是世界上第一颗量子卫星，也是人类首次通过卫星实现地球和外太空之间的通信。

　　《纽约时报》（The New York TImes）这样评价墨子号的意义：这是中国为争取站在量子研究最前沿而迈出的重要一步。

　　此时，距离我国量子卫星正式立项也只过去了不到5年而已，距离潘建伟在2003年提出发射量子卫星仅仅过去了13年时间，距离潘建伟回到国内建立起了中国第一个操控光子的量子属性的实验室只有15年。

　　而查尔斯·本内特（Charles Bennett）和吉尔斯·巴撒德（Gilles Brassard）在1984年提出第一份量子密钥分发协议——即BB84协议——以及1948年克劳德·香农（Claude Elwood Shannon）建立现代信息理论则是仅仅是几十年前的时间。

　　如果说香农用数学定义了信息的概念，那么 BB84协议向大家展示了量子理论应用到通信中的广阔前景和巨大想象力，信息收发者通过量子频道设定密钥，而基于测不准原理，任何觊觎信息的窃听者都会破坏到数据使得收发双方发现，这就保证了没有任何人能够在不被当事人发现的情况下窃取信息。

　　这就是量子通信的基础和最大优势，利用量子频道的超高安全性和信息容量、传输速度上的优势来接发信息，这正是量子计算在现实世界中最具实践场景、最具操作可行性的应用之一。

　　事实上，直到30多年前，费曼才提出量子计算机的设想，而直到100多年前，在解决黑体辐射问题的过程中，普朗克发现了辐射量子化的现象，他假设能量只能在微小、各异、相互远离的能量包中进行释放或吸收，才第一次提出了“量子”的概念。在此基础上经过后续半个多世纪的发展，量子理论发扬光大，它与经典物理理论有着5个显著不同的特性：

　　非决定论（indeterminism）

　　在牛顿体系中，只要知道观测对象的初始位置和速度，就能预测它的轨迹，然而，在量子理论中，唯一能预测的只有可能性。

　　量子干涉（interference）

　　在波理论中，当两个相干（coherent）的波源叠加时变产生干涉，而在量子理论中，即使单粒子也能显示出这样的特性，因此，量子干涉使得波粒二象性存在所有物质之中。

　　测不准（uncertainty）

　　这是量子理论的核心，亦即我们无法同时了解到量子的位置和动量，而一旦对例子进行测量，则又会失去这些信息。

　　量子叠加（superposiTIon）

　　一个量子可以同时处于两种允许状态的线性叠加状态，这意味着一个量子可以同时处于这里或那里，在与外部环境发生关系的过程中，量子极容易丧失这一特性，而叠加态又是量子计算和量子通信的核心目标。

　　量子纠缠（entanglement）

　　意指同时拥有多个量子的强量子关联，1935年，爱因斯坦等人提出了 EPR 悖论来质疑量子理论的完备性，并试图以定域性隐变理论来替代量子理论，但是，1964年，贝尔不等式证明任何满足 RPR 假设的两个粒子经典关联必然在一定数量以下，而两个纠缠态的量子并不符合此不等式，因此，量子纠缠无法用任何经典关联进行解释，而只能是一种罕有的量子世界现象。

　　在量子理论发展的100多年时间里，我们将会看到围绕着这些难以捉摸的现象和概念，那些在人类历史上数一数二的天才们殚精竭虑为捍卫自己的观点而相互颉颃，而在二战以后，量子理论的这些特性又是如何帮助现代的科学家们建立新的算法和应用、如何利用量子通信、量子计算机等量子计算去想象世界的另一种可能性。

　　在历史上，从来没有一个理论像量子力学这样如此深远地改变了世界的面貌，也从来没有一门技术能像量子通信和量子计算这样给予人类的未来如此无尽的想象力。

　　直至1989年，蒂姆·伯纳斯·李（TIm Berners-Lee）才提出了“万维网”（World Wide Web）的理念，因特网的最早雏形 ARPANET 在1969年就出现了，但直到1981年 CSNET 的建立以及次年 TCP/IP 协议的标准化，它才真正突飞猛进地发展起来。

　　直到1994年，世界上第一台严格意义上的智能手机才问世，1993年时，互联网历史上最原始的搜索引擎才诞生，而在1956年之前，甚至没有人专门研究人工智能。

　　智能手机和互联网的发展经验告诉我们，技术或产品并不一定要依靠很长时间的积累和沉淀才能大获成功，符合市场和消费者需求的必然成功。而人工智能的故事同时也启示我们，突破技术本身的瓶颈究竟会是多么艰难而痛苦的漫长过程。

　　在横跨过往3个世纪的时间里，量子计算的发展轨迹不只是关于科学和技术的历史，不只是关于科学家的历史，不只是历史拼图的一部分，从某种意义上来说，反而是历史本身的轨迹构成了它的发展和进化。

　　1820年4月21日夜，安徒生的密友、历史上首次制作了铝、被丹麦用来命名本国第一颗人造卫星的物理学家奥斯特（Hans ChrisTIan rsted）在实验过程中无意间发现，当电流开启时，离导线太近的指南针的磁针就会偏转，偏转的程度轻微到在场的几乎所有人都没有注意到这个小小的细节，但是，奥斯特此时已经意识到，这充满偶然性的不期而遇的发现将电击一般震惊世界。

　　和助手进行电磁实验的奥斯特。 （Louis Figuier： Les merveilles de la science， ou Description populaire des inventions modernes （1867）， page 713）

　　抓住这瞬间的一次机会，仅仅3个月后，奥斯特就用拉丁文向全欧洲的大学投送了一篇4页的报告《基于磁针的电流效应之实验》（Experimenta circa effecturn conflictus electrici in acum magneticam）。一个药剂师的儿子就此颠覆了整个物理学的发展。

　　随后安培（André-Marie Ampère）、法拉第（Michael Faraday）这些伟大的天才一直没有放弃探究电磁背后的物理学的努力。到1831年，法拉第终于成功地使得机器驱动和磁力共同作用产生电力。而就在这一年，麦克斯韦（James Clerk Maxwell）也在爱丁堡出生。

　　安培的电磁理论是建立在他认为电荷间存在超距作用力的基础上的，而法拉第则坚持近距作用，然而，在亨利·卡文迪士（Henry Cavendish）及夏尔·库伦（Charles Augustin de Coulomb）等人的研究下，远距作用被成功量化，并能成功解释当时的大部分物理现象。

　　在这样的背景下，法拉第的力线、电紧张态（electrotonic state）等概念在当时的物理学界并没有受到多少重视和关注。然而天才的麦克斯韦很快就意识到法拉第思想的重要性，并试图通过数学的方法进一步探索出电磁背后的关系。

　　1865年，年轻的麦克斯韦在一次会议上宣读了他的论文《电磁场的动态理论》（A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field），在其中，他完全抛弃了牛顿的力学模型，完整地提出了电磁场理论，并率先提出了“场”（field）的概念，此外，麦克斯韦提出了电磁场的普遍方程组，其中包括20个方程式及20个变量，直到1890年，赫兹才给出了只有4个矢量方程的简化方程组。

　　从某种角度上来说，正是麦克斯韦思想及其天才的方程组的漫长验证过程促进了后来人对量子力学的理解和接受。

　　首先，两派都不约而同地在数学语言上投入了大量的天赋和精力并取得了非凡的成就，就如麦克斯韦放弃了用力学模型来描述他的电磁场才使得其理论开辟出新的理论和应用光辉一样，量子力学则抛弃了使用文字而转向几何学来描述自然世界和物理。

　　其次，量子力学的物理学家们和麦克斯韦在理论体系的结构上有着更深的相似，他们把宇宙分为两层，第一层包括薛定谔的函数方程、海森堡矩阵及狄拉克的矢态，这一层能够被精确计算却无法被观察，第二层则涵盖辐射偏振强度、量子自旋等，它们无法被精确计算却可以观察。

　　麦克斯韦和量子力学一样认为自然寓于第一层的纯粹数学世界之中，而人类则存在于第二层的力学世界里，因此，我们无法用第二层的语言去描述自然，而只有数学语言可以做到这一点。

　　物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）这样评价麦克斯韦的成就：“麦克斯韦理论的最大重要性并不只是直接把解释和统一电磁现象，而在于提供了20世纪所有伟大物理发现的原型，这些伟大发现是爱因斯坦的相对论，是量子力学。”

　　1879年，麦克斯韦逝世，60年之后，那群意识到他的物理思想中的天才光辉的天才物理学家们——他们是薛定谔（Erwin Schr？dinger），是海森堡（Werner Karl Heisenberg），是狄拉克（Paul Dirac）——就如创世神一般开辟出了量子力学的新世纪。