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为什么量子技术如此重要,引中美竞争锋?
2020/10/29 10:53:12    新闻来源:中国仿真学会

为什么量子技术如此重要,引中美竞争锋? 

     近日,中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行了集体学习,表明国家层面对量子科技发展的重视程度之高,并再次引发公众对相关知识的关注。在社会各界响应号召,共同努力向量子科技发起进攻的同时,作者意识到,此时关于量子科技的科普同样重要。我们一边要全力推动量子技术走向应用,另一边也要时刻警惕量子概念的"泛化":不仅那些仅沾了点边的经典技术跳出来摇身一变成"量子技术",那些八杆子打不着的东西,诸如佛学算命,衣服鞋袜之流,也披上了量子的外衣。一些非专业人士对量子的过度解读,更让量子力学概念及其技术应用显得"玄幻莫测"。如今,中美两国都将量子技术发展提升到了国家战略层面,促使我们必须认真对待这一严肃的学问。本文作者为介绍量子技术的重要性,从"知其然"的角度对量子概念进行了简要科普,避免读者对量子概念做过多无益的思考。最后,作者还简要解读了一下美国的《量子前沿》报告,特别指出其中建设"量子工程学"这一新学科的重要建议。

  撰文 | 无邪(量子计算从业人员)

  这几天,有两则消息,促使我想再写点什么。一是美国白宫量子协调办公室,在普遍征求各界意见建议之后,将其中的焦点主题整理为一份名为《量子前沿》的报告;另一则,则是刷爆朋友圈的总书记组织集中学习量子技术并作出重要指示的消息。两个消息放到一起,表明中美两个世界大国,同时将量子技术提升到了前所未有的战略高度,大有得量子者得未来,得量子者得天下的架势。

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  白宫国家量子协调办公室最近发布的量子前沿报告丨图片来源:https://www.quantum.gov/trump-administration-announces-quantum-gov-and-quantum-frontiers-report/

  关于量子技术,目前网上已经有很多科普资料,每当出现最新量子技术的进展,也总能抓住公众眼球,成为爆点。而我颇为担忧的是,在这个信息流时代,由于更新极快,不管多重要的信息,总会迅速被更新的东西掩埋,俯仰之间,已为陈迹。在这种情况下,大多数人很难认真地去思考本质的东西,去分析其中的脉络,以至于哪怕看了大量关于量子技术的科普之后,得出的感觉大抵是"量子技术好厉害,量子力学好高深"。既然内心认定了量子之高深玄奥,也就可以心安理得地告诉自己:我不是那块料,我无论如何也是搞不懂的。

  当我看到新闻联播上,总书记与一众国家领导认真听取薛其坤院士的讲解,认真记笔记的样子,我还是颇有些感动的。这些领导人,日理万机不说,年龄确实都不小了。他们学习新事物的能力已不如年轻人,但他们真的非常认真在学!如果读者是一位年轻人,(内心)怎么还好意思说自己学不了量子力学?如果读者恰巧是一位如总书记般慧龄之人,那么,请向总书记学习吧!

  此时此刻,我深切感受到量子科普的重要性。在国家如此重视量子技术的背景下,如果不提升国民对量子技术的基本认识,则"量子速读" "量子算命" "量子鞋垫" "量子内衣"之类将层出不穷,甚或愈演愈烈;如果不提升领导干部对量子技术的基本认识,则水变油之类事件,很可能再次上演。闲话到此为止,下面进入正题。

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  什么是量子?

  我一向不愿意解释这个问题,因为这本是一本书的内容,却总被要求用几句话讲明白。此外,如果严肃回答这一问题,往往还会引来各路争议。当谈论量子的时候,人们总喜欢往形而上的方向引,把焦点放在"薛定谔猫"、"EPR佯谬"等著名的思想实验上,最后一直讨论到怀疑人生。我觉得大可不必。诚然,量子力学的某些内容的确缺乏具有普遍意义的诠释,举个最常被人挂在嘴边的例子——纠缠就是一个至今仍说不清楚的现象。然而,大量的实验已经验证纠缠现象的确存在。不仅存在,纠缠在信息学上的确有超越经典的用处。因此,如果不是专门的学者,我认为大可以仅就"知其然"的角度去了解量子力学,别把精力消耗在追究其"所以然"上。

  不管量子力学是否完备,经过百余年之发展,我们至少知道,量子力学在描述微观问题时,有着令人惊奇的高精确度。那么我们完全有理由相信,我们的世界,底层是遵守量子规律的。既然如此,让我们先来了解一下量子力学的几个基本假设:

  波函数:一个量子的系统,其行为总可以用一个波函数来完全描述。这个波函数是希尔伯特空间中的一个矢量,因此也被称为"态矢量"。

  演化:波函数的演化遵守薛定谔方程。

  塌缩:如果对量子系统做某种物理观测,系统总是给出这个"可观测量"的某个本征值,并且在观测过后系统状态变成这一本征值对应的本征态——不管系统先前处在什么状态。

  玻恩解释:观测后给出某本征值的概率,正好是塌缩前波函数在塌缩后波函数上的投影的模平方。

  后两个也可以合起来,称之为"投影法则"。上面的描述中,已经出现不少专用名词,如希尔伯特空间、本征值、本征态等,这些都是线性代数中的概念,读者可以暂且略过或自行搜索之。我在这里先强调一下量子力学和经典力学不一样的地方。首先,量子力学在描述一个系统行为的时候,用的是波函数(或者叫态矢量),而波函数并非一个物理量,仅是一个数学概念。波函数只有在观测后才能给出有意义的物理量来,这也是世界"虚无"之说的"科学依据"之所在。不过请记住,我们必须时时提醒自己,对量子力学我们应该学会止于"知其然",否则沿着这个思路下去,很容易怀疑世界,怀疑人生,那就真是"走火入魔"了。

  其次,"观测"(或者说"测量")在量子力学中扮演着重要的角色。经典力学中,测量只是对系统行为的一种记录而已,但在量子力学中,测量却真真切切地改变了系统的状态,并且这种改变还是无法逆转的!举个例子,假设即死又活的薛定谔猫这种宏观量子态真实存在,那么不管这只猫在打开箱门之前是什么状态,如果开门后观察者看到的是死猫,这个系统的状态就成了死猫状态了,不可能通过把门关回去再钉几颗钉子就把死猫再变回原来那既死又活的猫。

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  薛定谔的猫。假如我们的量子猫已经处在了既死又活的叠加态,而我们打开箱子后,我们无论如何只能看到两种状态:要么是活猫,要么是死猫。这个(观测)过程是不可逆的,不可能通过自由演化让这只猫回到原来的状态。丨图片来源:网络

  第三,经典力学中没有纠缠的概念。如果有多个量子系统,它们过往曾发生过关联(通过某些相互作用),即便它们现在毫无关联,且空间上也相隔邈云汉,这种关联也不会消失——这就是量子纠缠。这也是与经典力学大相径庭的地方。在现实的经验中,即便如牛郎织女般心心相印,在美国出差的你也不可能知道家中妻子此时此刻在干什么(哪怕有微信视频也不行,因为大洋光缆的延时就至少在百毫秒以上)。但如果你和妻子是量子纠缠的,当你在美国睡觉时,你会发现你妻子将立刻起床。这个过程是"瞬时"(也就是不需要时间)的,而且与空间上的距离无关!这个概念给了人们极大的想象空间,比如超光速信息传递、人体瞬间移动等,从科学上其实都是无稽之谈。

  上面三点不同,每点都足以让人困惑不已,深入分析还能找到更多不同之处,在这里就不再列举了。我们的大脑经过几万年的进化,为的是适应生存。我们看到的、摸到的、闻到的、尝到的,无一不是宏观的的东西,我们的大脑完全就是为了解宏观事物而设计的,这么看来我们不能理解量子就一点都不足为怪了。直到最近的一百多年前,我们才终于认识到,世界的底层,原来是量子的。

  接下来,我试图再用一小段话小结一下什么是量子("量子"以概括量子力学和量子技术)。量子力学是人类到目前为止所发现的描述世界最底层构建法则的最精确的理论。一个量子的系统状态由波函数描述,而演化则由薛定谔方程描述。薛定谔方程是一个波动方程,而测量总是让波函数随机投影到观测算符(观测量在希尔伯特空间中的表示)的某个本征态上,这又让量子系统对外表现出粒子性。因此,量子的系统是波和粒子的统一体,它以波的形式演化,却以粒子的形式对外表现自己的性质。

  在讨论物理问题的时候,物理学家总是倾向于先将所有相关的因素都包含在内,构成所谓"孤立系统",然后再以"微扰"的形式,进一步研究系统与外界的作用。这些与外界的相互作用,往往导致系统波函数发生细微变化,而当我们对这个"外界"不甚了解时,这种变化就变成了不可知的。一旦系统发生的不可知变化积累到一定程度,我们再使用无扰动的波函数来描述系统就完全偏离了正确的结果。此时,我们就称这个量子系统发生了"退相干"。或者从另一个角度来讲,这意味着关于这个量子系统的"信息",已经丢掉了。物理学家往往把这些无法掌控的"外界"称之为环境,或涨落,抑或叫噪声。

  所谓环境,举个例子,在固体里面最常见的就是由"温度"描述的热运动。在一杯水中,有10^23量级的电子在做高速的、几乎随机的运动,而我们不可能去掌控这些运动的细节,只能获得一些统计上的性质。假如你有一个新鲜的电子,并且已经知道它的波函数信息,现在将它丢入这片电子的汪洋大海,你会发现什么?这颗电子将远在你视觉神经有所反应之前就不知所终了,丢了!这就是为什么宏观物体完全看不到量子的踪影的原因——太多的粒子在几乎随机的相互作用,一个量子态几乎在一瞬间就退相干了,变成了经典的东西。因此,经典的世界,并不是量子力学不起作用了,而是量子性消失得太快了。

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  为什么量子技术如此重要?

  量子力学的发展已经超过百年时间了,很多量子效应,包括光电效应、受激辐射、隧穿等等,都对我们百年来的世界造成了巨大的影响。五十年前,哪怕脑洞开得最大的预言家恐怕也无法想到现在几十亿人每天对着一块小小的发光板上下划拉。那为什么到了今天我们还要提量子技术很重要呢?难道不是应该早就知道其重要性了吗?这就要从最近提出的所谓"第二次量子革命"说起。既然现在提"第二次量子革命",那之前那些量子效应的发现和应用,就都应该归入"第一次量子革命"。两次量子革命的差别,足以让中美两国领导人发起号召,先路必争,足见其必有非同小可之处。

  两次量子革命,我认为最核心的差别在于我们人类在量子技术中的主观能动性。以前,我们知道原子是量子的,原子的光谱,或者说能级,可以通过量子力学精确描述。于是,我们可以试图在其中搜索一些有用的能级,用来构建新型发光材料等。但是,无论我们怎么来利用这些能级,原子总归是自然的,而且原子的位置很难掌控——我们顶多在统计上去掌控原子分布,却无法精确地人为排列原子。

  现在的情况却大不一样了,随着技术的进步,我们不仅可以造出"人造原子",也有办法让原子按照我们想要的方式固定在某个位置,或按照一定规律排列起来。更进一步的是,我们可以对这些人造的量子系统按照自己的想法进行操控,并可以精确测量量子系统处于什么状态。这是人类技术的一种质的变化:它表明了我们终于可以(一定程度上)"设计"量子系统并让它们为我所用了。我们终于可以在超越自然的范畴之外,进行科学和技术的探索。

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  一个超导量子比特。这是早期的电荷型量子比特,在一个极为微小的超导小岛(SCB island)上,囚禁着"一团"库伯对,不同库伯对数量对应着不同的能量,形成一系列分立的"电荷态"。丨图片来源:[1]

  假如我们能设计并制造出一系列的量子系统,通过精确地控制让它们按照我们想要的方式演化,然后再精确地测量它们,那我们就能做很多妙不可言的事情了!最早意识到其中妙处的是费曼,他在上世纪80年代提出了复杂的多体量子系统问题,应该用量子的系统来模拟。90年代,数学家Peter Shor提出了著名的Shor算法,算法显示这种可控的量子体系,能够以很低的复杂度来解决原本对计算机而言很难的大数分解问题。而大数分解问题,正是用于确保互联网安全的数学基础,因此很快引起了大家的注意。不过在当时,这仅仅只是一个数学玩具,因为那会儿连一个量子比特都没做出来,更谈不上操控、读出、错误率之类的概念了。

  到了世纪之交,这种可控的人造量子系统终于出现了,比如第一个超导量子比特。这个由几十纳米大小的超导小岛构成的量子体系(电荷量子比特,也就是"库伯对盒子"),通过电容,以及一个薄薄的绝缘层与外界相连。当时这个量子体系只有不到2纳秒的退相干时间[2],但随后几年,这种新生的"人工原子"得到迅速发展迭代,就像进化一样,经过"Quantronium"、"Fluxonium"等,最终到"Transmon/Xmon"(这几种新型量子比特,都是为了克服最早电荷量子比特中电荷涨落引起的退相干而改进得来)并大放异彩。现在基于Transmon/Xmon的超导量子比特退相干时间已经达到了100微秒量级,且操控、耦合、读出各个方面都达到了前所未有的精度。Google在去年发布的Sycamore芯片,包含53个量子比特、88个耦合器(其实也是量子比特),两比特纠缠门的保真度已经达到低于表面编码量子纠错阈值的水平,成为新量子时代的一个代表杰作。最近,基于离子阱的量子计算机,由于其自然原子的优势,已经将量子体积提升到400万的水平[3],震惊了学界。硅基量子比特之间的两比特门操控精度也提升到了前所未有的99.99%[4]。这些进展足以说明,一个全新的量子时代真的来临了。如今我们可以很熟练地制造人工量子系统,操控量子系统,测量量子系统,让量子力学按照我们自己的方式发挥作用。

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  封装好的Sycamore量子芯片,采用了全新的立体封装技术,能够大幅提高量子比特的寻址性并降低连线困难。丨图片来源:Google Quantum AI

  此外,我们还能够看到另一个现象:量子科技方面的进展,呈现显著的加速效应。无论是量子退相干时间,还是量子比特数量,如果画一条随时间发展的曲线,我们都能看到类似摩尔定律的指数型发展规律。2013年,著名量子计算专家、耶鲁大学教授Devoret和Schoelkopf在他们的"量子计算展望"一文[5]中就曾发出过这样的感慨:"……量子纠错的引入提供了有朝一日造出量子计算机的希望,极有可能由未来的科学家和工程师来完成。但在不到20年时间内,我们见证了如此多的新进展……以至于现在看来很有可能在我们有生之年就能看到。"

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  超导量子比特退相干时间的"摩尔定律"丨图片来源:[6]

  前面讲的这些,意在说明人类已经具备构建高度可控、可扩展的人工量子系统的能力。但我们还需要回答另一个问题:如果我们造出来了量子计算机,我们该怎么用好它?理论上,科学家已经证明基于量子逻辑的算法能够在某些问题上降低计算复杂度。这其中有几类非常重要的问题,包括搜索问题、组合优化问题等。在数学上,这些问题可以映射到多种实际应用问题,比如怎么去寻找最优的行走路线;怎么从海量杂乱无章的数据中找到目标;怎么在所有可能的密码空间内找到正确的密码;怎么优化复杂的城市交通系统;甚至怎么买股票......此外,利用人造的量子系统来模拟自然的量子系统,也是一类极有意义的事情。如果我们能用人工的、可设计和调控的量子系统来"模拟"出各种分子的哈密顿量,我们就不仅可以用来计算这些分子的基态,还能直接计算这些分子的动力学性质!这为新药研发、新材料探索、化工等工业领域打开了一扇新的大门。人造量子系统甚至允许我们研究自然界不存在的量子现象!而如果能够将各种类型、处于不同地域的人造量子资源连接起来,构成所谓"量子网络",更将创造无限可能!只要想象一下经典计算机连接起来构成互联网对我们世界的影响就知道了。

  量子通信和量子精密测量,同样是量子技术的重要组成部分。由于这部分内容超出我的专业范围,只能交给其他专业之士来解读其中的重要性所在。总的来说,量子技术已经步入了一个全新的阶段,我们对各种量子体系的掌控能力远超从前,这一能力,能够带领人类对自身文明的改造,对宇宙的认识跨入一个全新的阶段。

  3

  小 结

  量子力学,这一原本大大超越我们大脑对世界理解能力的理论,极大地开拓了人类的眼界。现在,随着人类探索世界的手眼不断进步,我们终于可以像搭积木一样,去搭建人类的量子帝国。只要想到终有一天我们能建成这样的量子奇迹,我就不禁热血沸腾。但这个奇迹到底是什么样子?什么时候出现?谁第一个建出来?这些都是未知的。我们唯一所知的是,它需要时间,但总有一天会出现。因为这是与人类相终始的探索精神所决定的。

  补充阅读

  美国国家量子协调办公室(National Quantum Coordination Office)最近发布了一份名为"量子前沿——国家量子信息科学战略社区输入报告"的咨询文件。该文件根据学术界、工业界、投资者等多领域相关专家构成的"量子信息社区"提供的建议,整合出8个量子前沿领域,希望号召各方力量共同努力将量子技术推向实用,同时将人类对物理、宇宙的认知推向新的水平。

  报告称,美国已经采取了多项重要行动,以加强联邦政府对量子信息科学研发的投资,同时建立了一支"量子就绪"的预备队。2018年,白宫科技政策办公室发布了《量子信息科学国家战略概述》,即在量子信息科学处于领导地位的美国国家战略。按照这一战略,特朗普总统签署了两党的《国家量子计划法案》,以增加研发支出,并成立了国家量子协调办公室,以加强联邦政府量子政策和投资方面的协调能力。

  在这些努力的基础上,美国国家量子信息科学战略投入的《量子前沿报告》概述了八个前沿领域,包含了当前量子信息科学面临的最基本和核心问题:

  ?扩大量子技术造福社会的机会

  ?建立量子工程学科

  ?以材料科学为目标的量子技术

  ?通过量子模拟探索量子力学

  ?利用量子信息技术进行精密测量

  ?生成和分配量子纠缠,催生新应用

  ?表征和减少量子误差

  ?通过量子信息了解宇宙

  这些前沿领域由量子信息科学研究界所确定,是政府、私人和学术界需要探索的优先领域,以推动突破性的研发。

  本报告的背景是:国家科技委员会量子信息科学分会通过公开请求(RFI)的方式,以及一系列由量子信息科学研发领域的专家和相关人员领导的研讨会、圆桌会议和技术学习会等,与量子信息科学研究界进行了接触。国家量子协调办公室分析了公开请求的回应和研讨会的资料,发现了几个重复出现的主题。本报告归纳并总结了这些意见,提出了一些关键问题必须得到回答的前沿领域,并希望国家的量子信息科学学术界、私人和联邦政府领导者可以集中关注这些前沿领域,以充分发挥量子信息科学的潜力。报告称,特朗普政府将继续致力于维持和加强美国在量子信息科学领域的领导地位,并做出这一新兴领域对改善美国人民的繁荣、安全和福祉的承诺。

  一点个人分析:本报告不提供任何投资方面的信息,仅就社区和研讨会收集而来的建议信息进行汇总分析,提炼出8个量子前沿领域,算是一份倡议书。报告完全公开,也就是不仅美国学者、投资人可以看到,其他国家,包括中国也都能看到。所提到的8个领域都是开放性的大方向,不涉及任何具体技术,甚至没有给出建议说那种技术最好之类的,只提出要多领域综合协同发展,技术发展的模块化,学科培养等。因此,该报告可以认为是"统一战线号召书",旨在引导方向。

  值得注意的是,其中专门拿出一条来讲学科建设的重要性。报告指出要推动量子技术长期发展,向大规模可扩展发展,必须建设"量子工程学"这一新学科,培养大批"量子工程师"。这些工程师不需要深入理解量子力学基本原理等深奥的知识,但他们对具体如何建设量子计算机等技术细节很熟练。这一点上,也是我国亟待加强的地方。量子技术走向实用化是一个长期的过程,学科培养是固本培元工作。如果做不好,即便短期内能获得领先地位,也无法保证最终赢得这场"量子马拉松"。

  参考文献

  [1]Clarke, J. & Wilhelm, F. K. Superconducting quantum bits. Nature 453, 1031–1042 (2008).

  [2] Nakamura, Y., Pashkin, Y. A. & Tsai, J. S. Coherent control of macroscopic quantum states in a single-Cooper-pair box. Nature 398, 786–788 (1999).

  [3] https://ionq.com/news/october-01-2020-most-powerful-quantum-computer.

  [4] Ludwik Kranz, et al, Exploiting a Single‐Crystal Environment to Minimize the Charge Noise on Qubits in Silicon, Advanced Materials, 32, 2003361(2020).

  [5] Devoret, M. H. & Schoelkopf, R. J. Superconducting Circuits for Quantum Information: An Outlook. Science 339, 1169–1174 (2013).

  [6] W D. Oliver & P B. Welander, MRS Bull., 38, 816 (2013)

     来源:返朴

     作者:无邪

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