什么是“量子世界”？“迷你曼哈頓計(jì)劃”又將帶來什么？ - 全文

現(xiàn)在個(gè)巨頭已經(jīng)上演了量子爭(zhēng)奪戰(zhàn)，據(jù)悉谷歌和微軟都即將發(fā)布自己在量子計(jì)算領(lǐng)域的重大突破。愛因斯坦的光量子理論、普朗克的量子假說，無不是在證明量子世界的存在，但是量子世界到底是什么，我們都在進(jìn)一步的研究。

什么是“量子世界”？

對(duì)于絕大部分吃瓜群眾來說，所見的物質(zhì)世界已經(jīng)超越了人腦的負(fù)荷。但總有那么一小撮太過卓越的人類，在人類無法用感官感知的，普通人連概念都無法認(rèn)知，難以想象的復(fù)雜領(lǐng)域游刃有余。

量子世界，就是這樣一個(gè)領(lǐng)域。

量子一詞最早來自拉丁語quantus，意為“有多少”，代表“相當(dāng)數(shù)量的某物質(zhì)”，用在物理學(xué)概念上則最早由德國(guó)物理學(xué)家M·普朗克在1900年提出。自提出以來，經(jīng)愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定諤、狄拉克、玻恩等人的完善，20世紀(jì)前半期初步建立了完整的量子力學(xué)理論體系。

愛因斯坦是第一個(gè)意識(shí)到普朗克關(guān)于量子的發(fā)現(xiàn)將要改寫整個(gè)物理學(xué)的物理學(xué)家。為了證明他的觀點(diǎn)，1905年，他提出光的行為有時(shí)像粒子，稱這些粒子為“光量子”，現(xiàn)在這個(gè)詞被稱為光子，這個(gè)假說導(dǎo)致了光同時(shí)具有粒子和波的特性。

玻爾剛開始一直是光量子假說的最堅(jiān)定反對(duì)者之一，直到1925年才接受這個(gè)觀點(diǎn)。此后，量子力學(xué)革命在愛因斯坦和玻爾的研究方向上展開。

德布羅意的人生閱歷頗為豐富，年少時(shí)是文藝青年，酷愛文學(xué)和歷史，并在1910年獲巴黎索邦大學(xué)文學(xué)學(xué)士學(xué)位。然而，原本成為一名歷史學(xué)家的計(jì)劃，卻在一次關(guān)于光、輻射、量子性質(zhì)等問題的討論后改變，這場(chǎng)討論激起了他對(duì)物理學(xué)的強(qiáng)烈興趣。其后，他在量子力學(xué)上的成績(jī)得到了愛因斯坦的肯定，其將光的波粒二象性觀念進(jìn)行了擴(kuò)充，包括運(yùn)動(dòng)粒子。

1925年，海森伯提出矩陣力學(xué)，徹底廢除了牛頓力學(xué)中的經(jīng)典元素。1926年，玻恩提出量子力學(xué)應(yīng)該被理解為沒有任何因果聯(lián)系的概率。1927年底，海森伯和玻恩在索爾維會(huì)議中宣布由愛因斯坦和玻爾掀起的量子力學(xué)革命結(jié)束。至此，量子力學(xué)正式成為一門學(xué)科。

薛定諤的主要貢獻(xiàn)是在德布羅意物質(zhì)波理論的基礎(chǔ)上建立了波動(dòng)力學(xué)，其中最為人所知的是“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)，試圖證明量子力學(xué)在宏觀條件下的不完備性。然而，這個(gè)薛定諤本想要挫敗量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)，卻成為教授量子論的經(jīng)典比喻，進(jìn)而還延伸出平行宇宙等物理問題和哲學(xué)爭(zhēng)議。

與薛定諤同時(shí)期，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)在原子理論里很有用的新形式，即量子力學(xué)的基本方程，狄拉克以“狄拉克方程”與薛定諤共享了1933年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1927年布魯塞爾第五屆索爾維物理會(huì)議與會(huì)者合影

前排左起：朗繆爾，普朗克，居里夫人，洛倫茲， 愛因斯坦， 郎之萬， 古耶， 威爾孫， 里查森

中排左起：德拜， 努森， 小布拉格， 克拉默斯， 狄拉克， 康普頓， 德布羅意， 玻恩， 玻爾

后排左起：皮卡德， 昂里奧， 埃倫費(fèi)斯特， 赫爾岑， 德敦得爾， 薛定諤， 維沙菲爾特， 泡利

普朗克的量子假說、愛因斯坦的光量子理論、玻爾的原子理論、德布羅意物質(zhì)波概念、海森伯矩陣力學(xué)、薛定諤和狄拉克量子力學(xué)基本方程……

通過這些創(chuàng)始者的努力，最終究竟證明了什么？

量子力學(xué)并沒有支持自由意志，只是于微觀世界物質(zhì)具有概率波等存在不確定性，不過其依然具有穩(wěn)定的客觀規(guī)律，不以人的意志為轉(zhuǎn)移，否認(rèn)宿命論。

首先，在微觀尺度上，隨機(jī)性和通常意義下的宏觀尺度之間仍然有著難以逾越的距離;其次，這種隨機(jī)性是否不可約簡(jiǎn)難以證明，事物是由各自獨(dú)立演化所組合的多樣性整體，偶然性與必然性存在辯證關(guān)系。

量子計(jì)算機(jī)是怎么誕生的？

20世紀(jì)注定充滿沖突，當(dāng)西方已經(jīng)開啟現(xiàn)代科技和政治文明，東方不少地區(qū)仍處于冷兵器和舊制度的落后體制中。力量對(duì)比的嚴(yán)重失衡導(dǎo)致地緣沖突不斷，加上資本經(jīng)濟(jì)的固有周期弊病、弱肉強(qiáng)食的分贓不均、極端政治的大范圍興起，世界大戰(zhàn)一觸即發(fā)。

雖然說科學(xué)無國(guó)界，但科學(xué)家卻有各自的政治理念。二戰(zhàn)開始，海森伯留在德國(guó)為納粹效力，負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)研制原子彈的技術(shù)工作。而愛因斯坦、波爾則參與了同盟國(guó)以奧本海默領(lǐng)導(dǎo)的曼哈頓計(jì)劃。這一計(jì)劃的結(jié)果除了眾所周知的兩顆原子彈，匯聚千余世界頂級(jí)科學(xué)家的工程，當(dāng)然還有更多的故事，理查德·費(fèi)曼作為曼哈頓計(jì)劃天才小組成員之一，加入時(shí)還不到25歲，而他提出的費(fèi)曼圖、費(fèi)曼規(guī)則和重正化的計(jì)算方法，則成為了研究量子電動(dòng)力學(xué)和粒子物理學(xué)所不可缺少的工具。

基于這些理論基礎(chǔ)，理查德·費(fèi)曼最早提出了量子計(jì)算機(jī)的概念設(shè)想。

而事實(shí)上，一直到80年代，量子計(jì)算機(jī)都處在理論推導(dǎo)狀態(tài)。在這期間，理查德·費(fèi)曼1982年提出了利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的想法，1985年大衛(wèi)·杜斯則提出了量子圖靈機(jī)模型。

直到1994年彼得·秀爾提出量子質(zhì)因子分解算法，因其對(duì)于通行于銀行及網(wǎng)絡(luò)等處的RSA加密算法可以破解而構(gòu)成威脅，量子計(jì)算機(jī)開始變成熱門話題。

2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，但其作用僅限于解決一些最優(yōu)化問題，與科學(xué)界公認(rèn)的能運(yùn)行各種量子算法的量子計(jì)算機(jī)仍有較大區(qū)別。此時(shí)，D-Wave公司的“迷你曼哈頓計(jì)劃”正式開啟。

2009年11月15日，世界首臺(tái)可編程的通用量子計(jì)算機(jī)在美國(guó)誕生。同年，英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的科學(xué)家研制出基于量子光學(xué)的量子計(jì)算機(jī)芯片，可運(yùn)行秀爾算法。

直至目前，量子計(jì)算機(jī)相較于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：1、量子疊加，同時(shí)表示0和1;2、量子并行計(jì)算，可同時(shí)對(duì)2^n個(gè)數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)同時(shí)進(jìn)行2^n次操作。

對(duì)于量子計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的計(jì)算量，費(fèi)曼有一個(gè)經(jīng)典的應(yīng)用場(chǎng)景描述：如果被要求5分鐘內(nèi)在國(guó)會(huì)圖書館某一本書的某頁上找到一個(gè)大寫字母“X”，這幾乎是不可能的，因?yàn)閲?guó)會(huì)圖書館有5000萬冊(cè)書。但是如果處于5000萬個(gè)平行現(xiàn)實(shí)中，每個(gè)現(xiàn)實(shí)都可以查看不同的書籍，那么肯定能在其中某個(gè)現(xiàn)實(shí)中找到這個(gè)“X”。

在這個(gè)假設(shè)中，普通計(jì)算機(jī)就像是前一種情形中的“瘋子”，需要在5分鐘內(nèi)找遍盡可能多的書。而量子計(jì)算機(jī)卻能復(fù)制出5000萬個(gè)人，每個(gè)只需翻找一本書即可。

“谷歌們”到底在做哪些研究？

即使量子計(jì)算機(jī)在2009年誕生，但因?yàn)殡x實(shí)際應(yīng)用還有很大距離，其影響力主要是在學(xué)術(shù)、科研機(jī)構(gòu)、巨頭科技公司，以及各國(guó)的技術(shù)研發(fā)比拼上。

2010年3月，德國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)成功模擬42位量子計(jì)算機(jī);2011年4月，澳大利亞和日本的科研團(tuán)隊(duì)在量子通信方面取得突破，實(shí)現(xiàn)了量子信息的完整傳輸;同年9月，科學(xué)家證明量子計(jì)算機(jī)可以用馮·諾依曼架構(gòu)來實(shí)現(xiàn);2012年2月，IBM聲稱在超導(dǎo)集成電路實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算方面取得數(shù)項(xiàng)突破性進(jìn)展;2013年5月，D-Wave宣稱NASA和Google共同預(yù)定了一臺(tái)采用512量子位的D-Wave Two量子計(jì)算機(jī)。

關(guān)于NASA和Google的合作，NASA的希望是量子計(jì)算機(jī)能被用于發(fā)現(xiàn)新的類地行星，或者應(yīng)用到星際航行。而“發(fā)明大王”谷歌則希望量子計(jì)算機(jī)可以解決創(chuàng)造性的問題，前面提到，經(jīng)典計(jì)算機(jī)無論在運(yùn)算屬性還是運(yùn)算速度上都差強(qiáng)人意。此外，量子計(jì)算機(jī)還可以讓機(jī)器學(xué)習(xí)方面取得不可估量的巨大進(jìn)步。

目前，谷歌和NASA買下的這臺(tái)D-Wave Two據(jù)說被鎖在一個(gè)巨大的黑盒子中，因?yàn)榱孔有枰诮^對(duì)低溫中才能有更快的運(yùn)行速度，所以這個(gè)黑中的溫度幾乎達(dá)到絕對(duì)零度（零下273.15攝氏度），同時(shí)，盒內(nèi)完全黑暗且安靜。

在去年9月舉辦的Ignite大會(huì)上，微軟展示了拓?fù)淞孔游灰约?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1751/" target="_blank">硬件軟件生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)方面取得的進(jìn)展，發(fā)布了為駕馭規(guī)模化量子計(jì)算機(jī)而專門優(yōu)化的新的編程語言，讓開發(fā)者能夠編寫量子程序，在當(dāng)前的量子模擬器上調(diào)試，并能夠在未來真正的拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)上運(yùn)行。

雖然仍未開發(fā)出可運(yùn)行的量子位，但微軟量子團(tuán)隊(duì)主管霍爾姆達(dá)爾在近期表示，微軟現(xiàn)在已經(jīng)“十分接近”宣布實(shí)現(xiàn)這一突破。

對(duì)于D-Wave的聯(lián)合創(chuàng)始人和首席科學(xué)家埃里克·勒迪辛斯基來說，他要在10年，而不是50年造出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，這對(duì)于他來說是一項(xiàng)“迷你曼哈頓計(jì)劃”。

然而，質(zhì)疑聲也沒有消停過。有專家至今認(rèn)為，還需要幾十年才會(huì)出現(xiàn)真正應(yīng)用量子力學(xué)原理的計(jì)算機(jī)。有計(jì)算機(jī)專家提醒說，也許目前所謂量子計(jì)算機(jī)的處理器確實(shí)很快，但仍然是在障眼法的演示下應(yīng)用了傳統(tǒng)科技。更有如MIT量子物理學(xué)家斯科特·阿倫森自稱是D-Wave的首席批評(píng)家，他的公眾言論一直強(qiáng)調(diào)，沒有直接證據(jù)說明D-Wave的量子處理器是以量子力學(xué)的方式運(yùn)行的，即使有谷歌和NASA的背書。

無路如何，這次“迷你曼哈頓計(jì)劃”看起來還是有巨大前景，別忘了D-Wave最初可是由亞馬遜的貝佐斯和中情局共同進(jìn)行戰(zhàn)略投資。

“量子霸權(quán)”競(jìng)爭(zhēng)激烈，最終誰會(huì)勝出？是21世紀(jì)的“發(fā)明大王”谷歌？老牌“軟件帝國(guó)”微軟？電商跨界者亞馬遜、IBM、英特爾，亦或是D-Wave？　或者還有別的可能。

暨破比特操縱記錄后 潘建偉團(tuán)隊(duì)完成首個(gè)TDA算法驗(yàn)證演示

去年5月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士在上海宣布，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了光量子計(jì)算機(jī)，首次演示了超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算能力。

此次突破，主要體現(xiàn)在超導(dǎo)體系上，研究團(tuán)隊(duì)打破了由美國(guó)保持的9個(gè)量子比特操縱記錄，自主研發(fā)了10比特超導(dǎo)量子線路樣品，實(shí)現(xiàn)了目前世界上最大數(shù)目的超導(dǎo)量子比特的多體純糾纏，并通過層析測(cè)量方法完整地刻畫了10比特量子態(tài)。

近日，潘建偉團(tuán)隊(duì)再次完成了首個(gè)在光量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析（TDA）算法的驗(yàn)證演示，表明數(shù)據(jù)分析可能是未來量子計(jì)算的一大重要應(yīng)用。

據(jù)了解，TDA可以抵抗一定噪聲的干擾，從數(shù)據(jù)中提取有用信息，而量子版本的TDA能實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)典最優(yōu)TDA算法的指數(shù)級(jí)加速。量子TDA算法也是繼秀爾算法（上述用于大數(shù)因子分解進(jìn)行密碼破譯）、Grover 算法（用于搜索問題）、HHL 算法（用于解線性方程組）之后，人類在量子計(jì)算機(jī)上可使用的一種新算法。

該算法為在量子計(jì)算機(jī)上進(jìn)行高維數(shù)據(jù)處理、甚至人工智能算法領(lǐng)域的探索打開了方向。

后記

從普朗克提出量子概念，到愛因斯坦和波爾的量子力學(xué)革命，海森伯和波恩共同宣布量子力學(xué)的建立，薛定諤的貓“否定之否定”，再到有量子力學(xué)滲透的奧本海默“曼哈頓計(jì)劃”，費(fèi)曼提出量子計(jì)算機(jī)概念，D-Wave大膽嘗試“迷你曼哈頓計(jì)劃”，并最終掀起科技巨頭們和國(guó)家量子科技爭(zhēng)霸賽，量子力學(xué)已經(jīng)陪伴了人類118年。118年來，頂尖的人類智慧最終發(fā)現(xiàn)了量子世界并企圖將其轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

然而，無論科技發(fā)展至何程度，其本質(zhì)還是為人類服務(wù)。但人類、真理、科學(xué)究竟應(yīng)該為何關(guān)系？這是自科學(xué)不僅僅有改變?nèi)祟惿?，甚至改變?nèi)祟悓傩缘臐撛诳赡芟滦枰恼軐W(xué)思考。

從歷史發(fā)展來看，二十世紀(jì)上半頁人類經(jīng)歷了地緣政治變化，以及新興的政治思潮極端化帶來的種種災(zāi)難。雖然說科學(xué)技術(shù)本身是有意義的，性質(zhì)是中性的，但就如愛因斯坦諫言總統(tǒng)趕在納粹之前創(chuàng)造出原子彈的迫切心情，科學(xué)家們?cè)诘谝活w原子彈爆炸后的狂喜，卻在真正的災(zāi)難發(fā)生后轉(zhuǎn)瞬即逝，進(jìn)而陷入巨大的驚恐之中。

科學(xué)能夠決定它自身的永續(xù)發(fā)展，卻無法確保人類的命運(yùn)。