<p align="right"><font color="#3f3f3f">2025年10月08日</font></p> ## 引言：一个40年后的认可 2025年10月7日，诺贝尔物理学奖授予了John Clarke、Michel H. Devoret和John M. Martinis三位科学家，表彰他们在电路中发现宏观量子力学隧穿和能量量子化的工作。但这项获奖工作完成于1984-1985年，距今已有40年。 这不是一个最新的突破，而是对历史性基础研究的迟来认可。三位获奖者在当年证明了：在毫米级的超导电路中——一个包含数十亿粒子、大到可以用手握住的系统——量子隧穿效应仍然可以观察到。这项工作为今天的超导量子计算机奠定了基础。事实上，Martinis曾领导Google量子AI实验室至2020年，Devoret现任Google Quantum AI首席科学家。他们的基础研究早已转化为实际应用。 这引出一个更根本的问题：量子计算机究竟是什么？它为何与传统计算机完全不同？要理解这一点，我们需要深入量子力学本身——一个即使对物理学家而言也极度反直觉的领域。 ## 量子计算机：利用自然规律而非发明新技术 量子计算机的本质可以这样理解：它不是"发明"了新的物理规律，而是**发现并利用了量子系统固有的规律**，将现实问题映射到这个系统中进行处理。这与传统计算机是完全不同的两套体系。 ### 基本运作原理 传统计算机使用比特（bit），每个比特只能是0或1，通过大量逻辑门（AND、OR、NOT等）的组合完成计算。这是数字的、离散的、确定性的系统。 量子计算机使用量子比特（qubit），利用量子力学的三个核心特性： **1. 叠加态（Superposition）** 一个量子比特可以同时处于0和1的叠加状态。这不是"不确定是0还是1"，而是真正的"既是0又是1"。n个量子比特可以同时表示2^n个状态。 **2. 纠缠（Entanglement）** 多个量子比特可以纠缠在一起，改变一个会瞬间影响另一个，即使它们相距很远。这种关联性是经典系统无法实现的。爱因斯坦称之为"幽灵般的超距作用"并拒绝相信，但实验证明这确实存在。 **3. 量子干涉** 通过精心设计的量子门操作，让错误答案相互抵消（破坏性干涉），正确答案相互加强（建设性干涉）。 关键点在于：量子计算机并非对所有问题都更快，它只在特定类型的问题上有优势。 ### 具体优势：通过例子理解 **例子1：因数分解** 将一个300位的大数分解成两个质数的乘积，传统计算机可能需要数十亿年逐个尝试所有可能。量子计算机利用Shor算法，通过量子叠加态"同时"测试所有可能的因数，理论上可以在几小时内完成。这就是为什么量子计算机对现代RSA加密系统构成威胁。 **例子2：数据库搜索** 在100万条未排序记录中找到特定一条，传统计算机平均需要检查50万次。量子计算机使用Grover算法只需约1000次（√N），通过量子干涉让错误答案相互抵消，正确答案凸显出来。 **例子3：分子模拟** 模拟一个50个电子的分子，传统计算机需要追踪2^50（约一千万亿）个可能的量子态，存储这些数据需要8PB内存。而50个量子比特天然就能表示这个叠加态。这是量子计算最有前景的应用方向：用量子系统模拟量子系统。 但必须强调：量子计算机不擅长简单算术、文字处理、看视频等日常任务。未来不是"取代传统计算机"，而是两者配合使用。 ## 技术现状：从数量到质量的转变 根据2024-2025年的最新进展，量子计算正经历关键转折： **硬件进展**：目前已有超过100个量子比特的芯片可用。IBM计划到2025年实现超过4000个量子比特的系统，Google的Willow处理器实现了"低于阈值"的纠错突破。 **关键转变**：2024年量子技术行业出现从"增长量子比特"到"稳定量子比特"的转变。这标志着从单纯追求数量到追求质量的战略调整。 **实际状态**：目前开发者只制造出单个逻辑量子比特。将多个逻辑量子比特整合到一个能连贯工作并解决复杂现实问题的量子芯片，可能还需要几年时间。哈佛团队最近实现了超过两小时的连续运行，而此前大多数量子计算机只能运行几毫秒到十几秒。 ### 主要技术难点 **1. 量子纠错** 这是目前最大的挑战。量子态极其脆弱，任何外界干扰都会导致"退相干"。物理量子比特错误率仍然很高，需要用数百到数千个物理量子比特编码一个可靠的逻辑量子比特。 **2. 规模扩展** 增加量子比特数量时，保持它们之间的纠缠和控制难度呈指数增长。需要极低温环境（接近绝对零度）和完美的电磁隔离。 **3. 量子比特寿命** 量子计算机运行时，量子比特会通过"原子损失"过程逃离系统，导致机器丢失信息并最终失效。 **4. 技术路线不统一** 目前存在超导量子比特、离子阱、中性原子、拓扑量子比特、硅基量子点等多种方案，尚不清楚哪种会最终胜出。 IBM目标是到2033年实现量子中心超级计算机，Google的路线图目标是到2029年实现有用的纠错量子计算机。但这些都是乐观预期，实际可能需要5-15年。 ## 量子力学的反直觉本质 理解量子计算机，必然要面对量子力学本身的反直觉性质。 ### 三个基本原理 **叠加原理**：在没有测量时，量子系统可以同时处于多个状态的叠加。这不是"不知道是哪个状态"，而是真的同时处于多个状态。 **测量导致坍缩**：一旦测量，叠加态瞬间坍缩到某个确定状态。但什么算"测量"？为什么测量会导致坍缩？物理学家至今没有统一答案。 **量子纠缠**：两个粒子可以纠缠在一起，测量一个会瞬间影响另一个，无论距离多远。 这三个原理每一个都极度反直觉。最困扰的问题是：如果我们生活的宏观世界是连续的、确定性的，而组成它的微观量子世界是概率性的、不确定的，这个矛盾如何调和？ ### 宏观确定性的来源 这个矛盾有两个层面的解释： **退相干理论**：宏观物体不是孤立的，它们与环境持续相互作用。一只猫由10^27个原子组成，每个原子都在发射光子、与空气碰撞、交换热量。每次相互作用都相当于一次"测量"，叠加态在10^-23秒内就被破坏——远远快于任何宏观过程。这就是为什么我们从未见过"既活又死"的猫。 **大数定律**：即使单个原子是概率性的，大量原子的平均行为变得确定。10^23个分子的平均动能（温度）非常确定，涨落相对误差约10^-12。宏观世界的"确定性"来自统计平均。 但这只是"掩盖"了矛盾，并未真正消除。测量问题（波函数何时、为何、如何坍缩）仍未解决，量子-经典边界在哪里也没有明确答案。有趣的是，超导体、超流体、玻色-爱因斯坦凝聚等宏观量子现象说明：在极端条件下（超低温、隔离环境），量子特性在宏观尺度确实可以存在。 ## 如何证明叠加态存在？ 这里存在一个根本性的认识论问题：如果测量导致坍缩，我们怎么知道测量前有叠加态？答案是：通过不直接测量叠加态本身，而是让系统自由演化，然后观察干涉现象。 ### 双缝实验：最经典的证明 实验设置简单：电子源发射电子，经过有两个缝的屏障，打在后面的探测屏上。 **关键结果**：即使一次只发射一个电子，积累几千个电子后，仍然形成干涉条纹（明暗相间的条纹）。 这如何证明叠加态？通过排除所有其他解释： - 如果电子只从缝1通过：应该只在缝1对应位置有峰 - 如果电子只从缝2通过：应该只在缝2对应位置有峰 - 如果电子随机选择走哪个缝：应该看到两个峰的叠加，没有干涉 **唯一能解释干涉条纹的方式**：电子同时处于"过缝1"和"过缝2"的叠加态，两条"路径"的波相互干涉。 更关键的验证：在每个缝旁边放探测器，观测电子从哪个缝通过。结果探测器显示每个电子确实只从一个缝通过，但干涉条纹消失了。这证明：测量导致叠加态坍缩。 ### 排除"快速移动"的经典解释 有人可能会想：会不会是电子速度超快，快速在两个缝之间来回，所以看起来像同时经过？ 这个解释被多个实验彻底排除： **光子实验**：光子速度固定（光速），不可能更快。如果缝间距0.1毫米，"来回"需要670倍光速，这违反相对论。但光子仍然产生干涉。 **任意缝距**：把缝距增加到1米、10米甚至更远，干涉图样性质不变。如果是"快速来回"，最终会超过光速限制。 **干涉图样的数学形式**：实验观察到的强度分布精确符合波的干涉公式，包括相位差的作用。在暗条纹处，强度完全为零——只有波的相消干涉能做到"1+1=0"，粒子轨迹无法解释。 **Bell不等式实验**：1964年约翰·贝尔证明，如果粒子有确定轨迹（即使我们不知道），某些统计关联必须满足特定不等式。实验结果违反了这个不等式，证明粒子在测量前不可能有预先确定的轨迹。这项工作获得了2022年诺贝尔物理学奖。 **量子擦除实验**：先标记电子走哪条路（干涉消失），再擦除这个标记（干涉重现）。如果电子真的走了某条路，擦除标记不应该改变历史轨迹，但干涉确实重现了。 核心逻辑是：通过不直接测量叠加态，而是观察干涉图样——这个图样只能用叠加态解释。所有试图用"经典轨迹+隐藏变量"解释的理论，都被Bell实验证伪。 ## 科学认识论的反思 这引出更深的哲学问题：我们如何"知道"不能直接观察的事物？ 科学不是"直接观察真理"，而是"建立模型，用预测检验模型"。叠加态我们不能直接看到，但它是唯一能解释所有实验现象的模型，而且做出的所有预测都被验证。这类似于我们也没"直接看到"地球绕太阳转（我们站在地球上），但这是唯一能解释所有天文观测的模型。 100年来，无数物理学家试图推翻或改造量子力学，每一次实验都更加证实它的正确性，即使它如此反直觉。 ## 结语：接受自然的奇妙 量子力学要求我们放弃一些根深蒂固的直觉："物体总是在某个位置"、"运动就是从A到B"、"同时只能在一个地方"。这些在微观尺度不成立。 我们的大脑在宏观世界进化，量子现象不在我们的日常经验中。即使是专业物理学家，理解也主要靠数学而不是"直觉"。费曼的名言道出了这个领域的本质："我认为可以有把握地说，没有人真正懂量子力学。如果你不对量子力学感到震惊，那你就没有理解它。" 但量子力学不是魔法，而是经过上万次实验验证的物理规律、有严格数学描述的理论、能做出精确预测的模型。量子计算机的逐步实现，正是这个"不可思议"理论走向实用化的标志。 从今年诺奖表彰的40年前的工作，到今天超过100量子比特的芯片，到未来可能的大规模容错量子计算机，这条路展示了人类如何从惊讶、质疑、验证，到最终利用自然最深层的规律。这也许是科学最迷人的地方：自然永远比我们的想象更加奇妙。