近日，在社會各界響應號召，共同努力向量子科技發起進攻的同時，作者意識到，此時關于量子科技的科普同樣重要。我們一邊要全力推動量子技術走向應用，另一邊也要時刻警惕量子概念的“泛化”：不僅那些僅沾了點邊的經典技術跳出來搖身一變成“量子技術”，那些八桿子打不著的東西，諸如佛學算命，衣服鞋襪之流，也披上了量子的外衣。一些非專業人士對量子的過度解讀，更讓量子力學概念及其技術應用顯得“玄幻莫測”。如今，中美兩國都將量子技術發展提升到了國家戰略層面，促使我們必須認真對待這一嚴肅的學問。本文作者為介紹量子技術的重要性，從“知其然”的角度對量子概念進行了簡要科普，避免讀者對量子概念做過多無益的思考。最后，作者還簡要解讀了一下美國的《量子前沿》報告，特別指出其中建設“量子工程學”這一新學科的重要建議。

撰文 ｜ 無邪（量子計算從業人員）

這幾天，有兩則消息，促使我想再寫點什么。一是美國白宮量子協調辦公室，在普遍征求各界意見建議之后，將其中的焦點主題整理為一份名為《量子前沿》的報告；另一則，則是刷爆朋友圈的國家組織集中學習量子技術并作出重要指示的消息。兩個消息放到一起，表明中美兩個世界大國，同時將量子技術提升到了前所未有的戰略高度，大有得量子者得未來，得量子者得天下的架勢。

關于量子技術，目前網上已經有很多科普資料，每當出現最新量子技術的進展，也總能抓住公眾眼球，成為爆點。而我頗為擔憂的是，在這個信息流時代，由于更新極快，不管多重要的信息，總會迅速被更新的東西掩埋，俯仰之間，已為陳跡。在這種情況下，大多數人很難認真地去思考本質的東西，去分析其中的脈絡，以至于哪怕看了大量關于量子技術的科普之后，得出的感覺大抵是“量子技術好厲害，量子力學好高深”。既然內心認定了量子之高深玄奧，也就可以心安理得地告訴自己：我不是那塊料，我無論如何也是搞不懂的。

此時此刻，我深切感受到量子科普的重要性。在國家如此重視量子技術的背景下，如果不提升國民對量子技術的基本認識，則“量子速讀” “量子算命” “量子鞋墊” “量子內衣”之類將層出不窮，甚或愈演愈烈；如果不提升領導干部對量子技術的基本認識，則水變油之類事件，很可能再次上演。閑話到此為止，下面進入正題。

1 什么是量子？

我一向不愿意解釋這個問題，因為這本是一本書的內容，卻總被要求用幾句話講明白。此外，如果嚴肅回答這一問題，往往還會引來各路爭議。當談論量子的時候，人們總喜歡往形而上的方向引，把焦點放在“薛定諤貓”、“EPR佯謬”等著名的思想實驗上，最后一直討論到懷疑人生。我覺得大可不必。誠然，量子力學的某些內容的確缺乏具有普遍意義的詮釋，舉個最常被人掛在嘴邊的例子——糾纏就是一個至今仍說不清楚的現象。然而，大量的實驗已經驗證糾纏現象的確存在。不僅存在，糾纏在信息學上的確有超越經典的用處。因此，如果不是專門的學者，我認為大可以僅就“知其然”的角度去了解量子力學，別把精力消耗在追究其“所以然”上。

不管量子力學是否完備，經過百余年之發展，我們至少知道，量子力學在描述微觀問題時，有著令人驚奇的高精確度。那么我們完全有理由相信，我們的世界，底層是遵守量子規律的。既然如此，讓我們先來了解一下量子力學的幾個基本假設：

波函數：一個量子的系統，其行為總可以用一個波函數來完全描述。這個波函數是希爾伯特空間中的一個矢量，因此也被稱為“態矢量”。

演化：波函數的演化遵守薛定諤方程。

塌縮：如果對量子系統做某種物理觀測，系統總是給出這個“可觀測量”的某個本征值，并且在觀測過后系統狀態變成這一本征值對應的本征態——不管系統先前處在什么狀態。

玻恩解釋：觀測后給出某本征值的概率，正好是塌縮前波函數在塌縮后波函數上的投影的模平方。

后兩個也可以合起來，稱之為“投影法則”。上面的描述中，已經出現不少專用名詞，如希爾伯特空間、本征值、本征態等，這些都是線性代數中的概念，讀者可以暫且略過或自行搜索之。我在這里先強調一下量子力學和經典力學不一樣的地方。首先，量子力學在描述一個系統行為的時候，用的是波函數（或者叫態矢量），而波函數并非一個物理量，僅是一個數學概念。波函數只有在觀測后才能給出有意義的物理量來，這也是世界“虛無”之說的“科學依據”之所在。不過請記住，我們必須時時提醒自己，對量子力學我們應該學會止于“知其然”，否則沿著這個思路下去，很容易懷疑世界，懷疑人生，那就真是“走火入魔”了。

其次，“觀測”（或者說“測量”）在量子力學中扮演著重要的角色。經典力學中，測量只是對系統行為的一種記錄而已，但在量子力學中，測量卻真真切切地改變了系統的狀態，并且這種改變還是無法逆轉的！舉個例子，假設即死又活的薛定諤貓這種宏觀量子態真實存在，那么不管這只貓在打開箱門之前是什么狀態，如果開門后觀察者看到的是死貓，這個系統的狀態就成了死貓狀態了，不可能通過把門關回去再釘幾顆釘子就把死貓再變回原來那既死又活的貓。

薛定諤的貓。假如我們的量子貓已經處在了既死又活的疊加態，而我們打開箱子后，我們無論如何只能看到兩種狀態：要么是活貓，要么是死貓。這個（觀測）過程是不可逆的，不可能通過自由演化讓這只貓回到原來的狀態。丨圖片來源：網絡

第三，經典力學中沒有糾纏的概念。如果有多個量子系統，它們過往曾發生過關聯（通過某些相互作用），即便它們現在毫無關聯，且空間上也相隔邈云漢，這種關聯也不會消失——這就是量子糾纏。這也是與經典力學大相徑庭的地方。在現實的經驗中，即便如牛郎織女般心心相印，在美國出差的你也不可能知道家中妻子此時此刻在干什么（哪怕有微信視頻也不行，因為大洋光纜的延時就至少在百毫秒以上）。但如果你和妻子是量子糾纏的，當你在美國睡覺時，你會發現你妻子將立刻起床。這個過程是“瞬時”（也就是不需要時間）的，而且與空間上的距離無關！這個概念給了人們極大的想象空間，比如超光速信息傳遞、人體瞬間移動等，從科學上其實都是無稽之談。

上面三點不同，每點都足以讓人困惑不已，深入分析還能找到更多不同之處，在這里就不再列舉了。我們的大腦經過幾萬年的進化，為的是適應生存。我們看到的、摸到的、聞到的、嘗到的，無一不是宏觀的的東西，我們的大腦完全就是為了解宏觀事物而設計的，這么看來我們不能理解量子就一點都不足為怪了。直到最近的一百多年前，我們才終于認識到，世界的底層，原來是量子的。

接下來，我試圖再用一小段話小結一下什么是量子（“量子”以概括量子力學和量子技術）。量子力學是人類到目前為止所發現的描述世界最底層構建法則的最精確的理論。一個量子的系統狀態由波函數描述，而演化則由薛定諤方程描述。薛定諤方程是一個波動方程，而測量總是讓波函數隨機投影到觀測算符（觀測量在希爾伯特空間中的表示）的某個本征態上，這又讓量子系統對外表現出粒子性。因此，量子的系統是波和粒子的統一體，它以波的形式演化，卻以粒子的形式對外表現自己的性質。

在討論物理問題的時候，物理學家總是傾向于先將所有相關的因素都包含在內，構成所謂“孤立系統”，然后再以“微擾”的形式，進一步研究系統與外界的作用。這些與外界的相互作用，往往導致系統波函數發生細微變化，而當我們對這個“外界”不甚了解時，這種變化就變成了不可知的。一旦系統發生的不可知變化積累到一定程度，我們再使用無擾動的波函數來描述系統就完全偏離了正確的結果。此時，我們就稱這個量子系統發生了“退相干”?；蛘邚牧硪粋€角度來講，這意味著關于這個量子系統的“信息”，已經丟掉了。物理學家往往把這些無法掌控的“外界”稱之為環境，或漲落，抑或叫噪聲。

所謂環境，舉個例子，在固體里面最常見的就是由“溫度”描述的熱運動。在一杯水中，有10＾23量級的電子在做高速的、幾乎隨機的運動，而我們不可能去掌控這些運動的細節，只能獲得一些統計上的性質。假如你有一個新鮮的電子，并且已經知道它的波函數信息，現在將它丟入這片電子的汪洋大海，你會發現什么？這顆電子將遠在你視覺神經有所反應之前就不知所終了，丟了！這就是為什么宏觀物體完全看不到量子的蹤影的原因——太多的粒子在幾乎隨機的相互作用，一個量子態幾乎在一瞬間就退相干了，變成了經典的東西。因此，經典的世界，并不是量子力學不起作用了，而是量子性消失得太快了。

2 為什么量子技術如此重要？

量子力學的發展已經超過百年時間了，很多量子效應，包括光電效應、受激輻射、隧穿等等，都對我們百年來的世界造成了巨大的影響。五十年前，哪怕腦洞開得最大的預言家恐怕也無法想到現在幾十億人每天對著一塊小小的發光板上下劃拉。那為什么到了今天我們還要提量子技術很重要呢？難道不是應該早就知道其重要性了嗎？這就要從最近提出的所謂“第二次量子革命”說起。既然現在提“第二次量子革命”，那之前那些量子效應的發現和應用，就都應該歸入“第一次量子革命”。兩次量子革命的差別，足以讓中美兩國領導人發起號召，先路必爭，足見其必有非同小可之處。

兩次量子革命，我認為最核心的差別在于我們人類在量子技術中的主觀能動性。以前，我們知道原子是量子的，原子的光譜，或者說能級，可以通過量子力學精確描述。于是，我們可以試圖在其中搜索一些有用的能級，用來構建新型發光材料等。但是，無論我們怎么來利用這些能級，原子總歸是自然的，而且原子的位置很難掌控——我們頂多在統計上去掌控原子分布，卻無法精確地人為排列原子。

現在的情況卻大不一樣了，隨著技術的進步，我們不僅可以造出“人造原子”，也有辦法讓原子按照我們想要的方式固定在某個位置，或按照一定規律排列起來。更進一步的是，我們可以對這些人造的量子系統按照自己的想法進行操控，并可以精確測量量子系統處于什么狀態。這是人類技術的一種質的變化：它表明了我們終于可以（一定程度上）“設計”量子系統并讓它們為我所用了。我們終于可以在超越自然的范疇之外，進行科學和技術的探索。

一個超導量子比特。這是早期的電荷型量子比特，在一個極為微小的超導小島（SCB island）上，囚禁著“一團”庫伯對，不同庫伯對數量對應著不同的能量，形成一系列分立的“電荷態”。丨圖片來源：［1］

假如我們能設計并制造出一系列的量子系統，通過精確地控制讓它們按照我們想要的方式演化，然后再精確地測量它們，那我們就能做很多妙不可言的事情了！最早意識到其中妙處的是費曼，他在上世紀80年代提出了復雜的多體量子系統問題，應該用量子的系統來模擬。90年代，數學家Peter Shor提出了著名的Shor算法，算法顯示這種可控的量子體系，能夠以很低的復雜度來解決原本對計算機而言很難的大數分解問題。而大數分解問題，正是用于確?；ヂ摼W安全的數學基礎，因此很快引起了大家的注意。不過在當時，這僅僅只是一個數學玩具，因為那會兒連一個量子比特都沒做出來，更談不上操控、讀出、錯誤率之類的概念了。

到了世紀之交，這種可控的人造量子系統終于出現了，比如第一個超導量子比特。這個由幾十納米大小的超導小島構成的量子體系（電荷量子比特，也就是“庫伯對盒子”），通過電容，以及一個薄薄的絕緣層與外界相連。當時這個量子體系只有不到2納秒的退相干時間［2］，但隨后幾年，這種新生的“人工原子”得到迅速發展迭代，就像進化一樣，經過“Quantronium”、“Fluxonium”等，最終到“Transmon／Xmon”（這幾種新型量子比特，都是為了克服最早電荷量子比特中電荷漲落引起的退相干而改進得來）并大放異彩。現在基于Transmon／Xmon的超導量子比特退相干時間已經達到了100微秒量級，且操控、耦合、讀出各個方面都達到了前所未有的精度。Google在去年發布的Sycamore芯片，包含53個量子比特、88個耦合器（其實也是量子比特），兩比特糾纏門的保真度已經達到低于表面編碼量子糾錯閾值的水平，成為新量子時代的一個代表杰作。最近，基于離子阱的量子計算機，由于其自然原子的優勢，已經將量子體積提升到400萬的水平［3］，震驚了學界。硅基量子比特之間的兩比特門操控精度也有望達到99．99％［4］。這些進展足以說明，一個全新的量子時代真的來臨了。如今我們可以很熟練地制造人工量子系統，操控量子系統，測量量子系統，讓量子力學按照我們自己的方式發揮作用。

封裝好的Sycamore量子芯片，采用了全新的立體封裝技術，能夠大幅提高量子比特的尋址性并降低連線困難。丨圖片來源：Google Quantum AI

此外，我們還能夠看到另一個現象：量子科技方面的進展，呈現顯著的加速效應。無論是量子退相干時間，還是量子比特數量，如果畫一條隨時間發展的曲線，我們都能看到類似摩爾定律的指數型發展規律。2013年，著名量子計算專家、耶魯大學教授Devoret和Schoelkopf在他們的“量子計算展望”一文［5］中就曾發出過這樣的感慨：“……量子糾錯的引入提供了有朝一日造出量子計算機的希望，極有可能由未來的科學家和工程師來完成。但在不到20年時間內，我們見證了如此多的新進展……以至于現在看來很有可能在我們有生之年就能看到。”

超導量子比特退相干時間的“摩爾定律”丨圖片來源：［6］

前面講的這些，意在說明人類已經具備構建高度可控、可擴展的人工量子系統的能力。但我們還需要回答另一個問題：如果我們造出來了量子計算機，我們該怎么用好它？理論上，科學家已經證明基于量子邏輯的算法能夠在某些問題上降低計算復雜度。這其中有幾類非常重要的問題，包括搜索問題、組合優化問題等。在數學上，這些問題可以映射到多種實際應用問題，比如怎么去尋找最優的行走路線；怎么從海量雜亂無章的數據中找到目標；怎么在所有可能的密碼空間內找到正確的密碼；怎么優化復雜的城市交通系統；甚至怎么買股票……此外，利用人造的量子系統來模擬自然的量子系統，也是一類極有意義的事情。如果我們能用人工的、可設計和調控的量子系統來“模擬”出各種分子的哈密頓量，我們就不僅可以用來計算這些分子的基態，還能直接計算這些分子的動力學性質！這為新藥研發、新材料探索、化工等工業領域打開了一扇新的大門。人造量子系統甚至允許我們研究自然界不存在的量子現象！而如果能夠將各種類型、處于不同地域的人造量子資源連接起來，構成所謂“量子網絡”，更將創造無限可能！只要想象一下經典計算機連接起來構成互聯網對我們世界的影響就知道了。

量子通信和量子精密測量，同樣是量子技術的重要組成部分。由于這部分內容超出我的專業范圍，只能交給其他專業之士來解讀其中的重要性所在?？偟膩碚f，量子技術已經步入了一個全新的階段，我們對各種量子體系的掌控能力遠超從前，這一能力，能夠帶領人類對自身文明的改造，對宇宙的認識跨入一個全新的階段。

3 小 結

量子力學，這一原本大大超越我們大腦對世界理解能力的理論，極大地開拓了人類的眼界。現在，隨著人類探索世界的手眼不斷進步，我們終于可以像搭積木一樣，去搭建人類的量子帝國。只要想到終有一天我們能建成這樣的量子奇跡，我就不禁熱血沸騰。但這個奇跡到底是什么樣子？什么時候出現？誰第一個建出來？這些都是未知的。我們唯一所知的是，它需要時間，但總有一天會出現。因為這是與人類相終始的探索精神所決定的。

補充閱讀

美國國家量子協調辦公室（National Quantum Coordination Office）最近發布了一份名為“量子前沿——國家量子信息科學戰略社區輸入報告”的咨詢文件。該文件根據學術界、工業界、投資者等多領域相關專家構成的“量子信息社區”提供的建議，整合出8個量子前沿領域，希望號召各方力量共同努力將量子技術推向實用，同時將人類對物理、宇宙的認知推向新的水平。

報告稱，美國已經采取了多項重要行動，以加強聯邦政府對量子信息科學研發的投資，同時建立了一支“量子就緒”的預備隊。2018年，白宮科技政策辦公室發布了《量子信息科學國家戰略概述》，即在量子信息科學處于領導地位的美國國家戰略。按照這一戰略，特朗普總統簽署了兩黨的《國家量子計劃法案》，以增加研發支出，并成立了國家量子協調辦公室，以加強聯邦政府量子政策和投資方面的協調能力。

在這些努力的基礎上，美國國家量子信息科學戰略投入的《量子前沿報告》概述了八個前沿領域，包含了當前量子信息科學面臨的最基本和核心問題：

？擴大量子技術造福社會的機會

？建立量子工程學科

？以材料科學為目標的量子技術

？通過量子模擬探索量子力學

？利用量子信息技術進行精密測量

？生成和分配量子糾纏，催生新應用

？表征和減少量子誤差

？通過量子信息了解宇宙

這些前沿領域由量子信息科學研究界所確定，是政府、私人和學術界需要探索的優先領域，以推動突破性的研發。

本報告的背景是：國家科技委員會量子信息科學分會通過公開請求（RFI）的方式，以及一系列由量子信息科學研發領域的專家和相關人員領導的研討會、圓桌會議和技術學習會等，與量子信息科學研究界進行了接觸。國家量子協調辦公室分析了公開請求的回應和研討會的資料，發現了幾個重復出現的主題。本報告歸納并總結了這些意見，提出了一些關鍵問題必須得到回答的前沿領域，并希望國家的量子信息科學學術界、私人和聯邦政府領導者可以集中關注這些前沿領域，以充分發揮量子信息科學的潛力。報告稱，特朗普政府將繼續致力于維持和加強美國在量子信息科學領域的領導地位，并做出這一新興領域對改善美國人民的繁榮、安全和福祉的承諾。

一點個人分析：本報告不提供任何投資方面的信息，僅就社區和研討會收集而來的建議信息進行匯總分析，提煉出8個量子前沿領域，算是一份倡議書。報告完全公開，也就是不僅美國學者、投資人可以看到，其他國家，包括中國也都能看到。所提到的8個領域都是開放性的大方向，不涉及任何具體技術，甚至沒有給出建議說那種技術最好之類的，只提出要多領域綜合協同發展，技術發展的模塊化，學科培養等。因此，該報告可以認為是“統一戰線號召書”，旨在引導方向。

值得注意的是，其中專門拿出一條來講學科建設的重要性。報告指出要推動量子技術長期發展，向大規模可擴展發展，必須建設“量子工程學”這一新學科，培養大批“量子工程師”。這些工程師不需要深入理解量子力學基本原理等深奧的知識，但他們對具體如何建設量子計算機等技術細節很熟練。這一點上，也是我國亟待加強的地方。量子技術走向實用化是一個長期的過程，學科培養是固本培元工作。如果做不好，即便短期內能獲得領先地位，也無法保證最終贏得這場“量子馬拉松”。
責任編輯：PSY