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潘建伟:从爱因斯坦的好奇心到量子信息革命

创新网 2020-01-14 15:17 出处:知识分子-编者按-1月12日,由智识学研社、知识分子、赛先生和墨子沙龙主办的2020年新年科学演讲在北京举行,聚焦量子信息革命,量子物理学家、中国科学技术大学教授潘建伟奉献了一场关于量子的精彩演讲。今天,量子信息技术正在引领一场新的科" /> <meta name="tags" content="潘建伟,爱因斯坦,量子力学" /> <meta content="always" name="referrer 编辑:@科技资讯网
来源:知识分子 - 编者按 - 1月12日,由智识学研社、知识分子、赛先生和墨子沙龙主办的2020年新年科学演讲在北京举行,聚焦量子信息革命,量子物理学家、中国科学技术大学教授潘建伟奉献了一场关于量子的精彩演讲。

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潘建伟:从爱因斯坦的好奇心到量子信息革命

来源:知识分子

- 编者按 -

1月12日,由智识学研社、知识分子、赛先生和墨子沙龙主办的2020年新年科学演讲在北京举行,聚焦量子信息革命,量子物理学家、中国科学技术大学教授潘建伟奉献了一场关于量子的精彩演讲。

今天,量子信息技术正在引领一场新的科技革命,这个革命和历史上其他的几个革命一样,将深远地影响着这个世界。在演讲中,潘建伟以通俗而不失严谨的语言,回顾了量子力学百年来的发展历程,介绍了现代信息技术当前所面临的挑战,以及第二次量子革命如何引领新一代信息技术的发展。

以下演讲内容为知识分子根据现场演讲整理而成,未经潘建伟院士本人确认。

讲者 | 潘建伟

各位晚上好!非常高兴有机会能够做2020新年科学演讲。

今天我报告的题目是 “从爱因斯坦的好奇心到量子信息革命” ,让我们从爱因斯坦的观点开始讲起。

爱因斯坦相信上帝是不掷骰子的,这里面的基本含义是什么呢?学过牛顿力学的人都知道,根据牛顿力学,一旦体系的初始条件是确定的,力也是确定的话,就意味着,所有粒子未来的运动状态都是可以精确预言的。继续往前想一步的话,好像我们的世界就是决定论的,包括今天的演讲,可能很早之前就已经决定好了。如果真是这样的话,个人的努力还有意义吗?

比如前一阵子,我跟饶毅和颖一商量,决定要在一月几号做一个新年演讲。我们以为是自己做出了决定,但实际上可能并不是这样的。不知道大家有没有看过一部科幻片《西部世界》?我为了能跟年轻学生比较好的交流,常常会努力看一些他们推荐给我的比较新潮的影视剧。看《西部世界》的时候,前面一两集没有看懂——有一个人被打死了,一会儿做梦,又活过来了。后来看明白了,原来 “西部世界” 里面大多数是机器人,少量的人到西部世界探险,可以任意决定机器人的 “命运”。

在《西部世界》里,有一位漂亮的女士,她以为她自己是有自由意志的,但是程序员告诉她,其实你是机器人,你讲的每一句话,我事先都设计好了,这就是决定论的一个困境。

牛顿力学可以精确预测行星的轨道:什么时候到哪儿,都能计算出来;整个世界进程什么样,尽管有些时候计算能力有限算不明白,但按照牛顿力学的理论,结果总是确定性地往下运行。

但是大家内心深处其实是不太喜欢决定论的。霍金曾经讲过,“即使是相信一切都是由上天注定的人,在过马路的时候,也会左右看一看,以免被车撞到。” 所以,我们内心深处并不相信牛顿力学导致的决定论是世界运动的最终本质。

波函数:量子力学的解释

能不能通过物理学来研究一下这个问题呢?让我们从量子力学开始讲起。

让我们先从一个非常简单的单缝实验开始:有一条缝,光源照过去,有强度分布,中间最亮,两边慢慢变暗。这个实验很简单,我们每天都可以重复做,拿手电筒一照就可以了。但是有些科学家说,如果把光的强度进一步减弱,会有什么样的结果呢?

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我们再来重复做这个实验,把光源不停地减弱,结果在屏幕上发现,在每个确定的时刻,看到一个点、一个点出现。实验重复了很多次之后,分布跟左边图的分布是完全一样的。但是单次实验当中出现的是一个点,这就引出了所谓的单光子概念。后来的科学告诉我们,其实光是由很多小颗粒组成的;这些小颗粒就是光能量的最小单元,叫做光量子。

量子的概念最早是普朗克提出来的,普朗克从某种意义上来讲,应该算是旧量子力学的祖父,爱因斯坦和玻尔是旧量子力学之父,他们又是新量子力学的祖父,海森堡、薛定谔和狄拉克等则建立了新量子力学——真正有方程去求解的量子力学。

所谓量子,其实就是能量的最基本携带者,具有不可分割性,在屏幕上每次都是以一个小点的形式出现;它也是构成物质的最基本单元,所以,原子、分子等也都是量子的基本范畴。

我们继续来做实验。这次做双缝实验,第一次我只开左缝,会看到左边的很多小点,最后的分布就是这样的高斯分布;我再打开右缝,又看到很多小点,也是高斯分布。有这样的结果出来之后,我们可以问一个问题:如果两条缝同时都打开的话,应该看到什么现象呢?

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我想,在座各位很容易得到逻辑分析的结论。首先,单光子是不可分割的,单次的过程当中,应当从某一条缝过去。左缝过去的光子应该不受右缝的影响,两条缝都打开的时候,应该是一种简单的概率叠加,最后变成同时开双缝的时候,应该这也是高斯分布。

下面来做一下这个实验,到底跟逻辑分析的结论是不是一致的呢?大家可以看到,如果两条缝都打开的时候,屏幕上光子数目越来越多的时候,就出现了干涉条纹。我们做实验的人马上就会想到,这不是波的现象吗?因为经典的电磁波、水波、声波里面都有非常明显的干涉现象——波峰+波峰就是干涉增强,波峰+波谷就是干涉相消。如果按照经典物理学,光是电磁波的话,那么有干涉现象是非常正常的。

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但现在的问题是,为什么不可分割的粒子表现也像波一样呢?按照道理是强度叠加,怎么变成了这么一种干涉的叠加了呢?

在量子力学里面,按照玻尔和海森堡的观点,首先光子确实是一个粒子,但是它在自由飞行的时候,光子状态是由波函数来描述的。在探测到光子之前,光子没有一个确定的位置。波函数告诉我们的信息只是在某一个点上探测到光子的概率是波函数的模平方;通过双缝之后,波函数的干涉就会影响光子出现的概率分布,就类似于经典波干涉一样。他们认为在自由飞行的时候,波函数本身代表一个光子,光子在各个地方都同时存在。

按照他们的观点,最后在屏幕上探测到光子的时候,光子就会坍缩成一个点,随机地出现在某个地方。我们重复实验很多次,最后的结果告诉我们,单光子像波一样,是同时通过两条缝,但是光子的位置是完全不确定的,屏幕上是随机出现在某一点,出现在某个点的概率,是由两个波函数相干叠加决定的。

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这样重复很多次实验,我们就能够看到干涉条纹,但是单次的过程当中,它都是一个光子,并且可以出现在很多地方。因为看到了干涉,量子力学就用波函数的形式来解释这个现象。

但是对于这种理论,爱因斯坦并不满意。他说是的,如果你看到了干涉条纹,我们只能认为光子同时通过两条缝;但是如果我一定要坚持,一个光子是一个颗粒,只能通过某一条缝,那么我是不是应该做实验看一下,光子到底从哪边过去的?

这样我们接着做一个实验:在每条缝后面放一个原子,光如果从左边过去,跟原子轻轻碰撞一下,通过测量原子反冲的动量,我们会知道光子是左边过去的;如果右边的原子被撞了一下,我们就知道光子是从右边过去的。如果去看光子的路径,在每次实验当中,我们只看到一边的原子会反冲一下。这个实验证明,光子确实是通过某一条缝过去的。

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但现在我们就遇到麻烦了,当我们知道光子从哪一条缝过去的时候,干涉就消失了,又变成了概率的叠加。最后总的结果是这样的,如果知道光子路径的话,就没有干涉条纹;如果出现了干涉条纹,那么我们的实验是没有办法来判断光子路径的,这就是我们遇到的这么一种困境。

上帝掷骰子吗?

遇到这种困境之后,两种观点就开始争论了。

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爱因斯坦相信上帝不掷骰子,他觉得我们应该有一个确定规律可以算出来。玻尔则说,你不要告诉上帝祂能够做什么,上帝自己来决定祂能够做什么。

玻尔的观点是,光子的路径在没有测量之前是不确定的。它的路径到底怎么样,取决于你有没有去看它。你去看的话,它在某一条路径上;你没有看,就是在两条路径上,处于通过左缝和通过右缝的相干叠加。

但爱因斯坦认为,光子的路径是可以预先确定的,只不过量子力学目前能力太差,没有掌握真正的自然界的规律。其实可以设计一个隐变量,让光子变得聪明一些,也可以同时来解释两类现象。

爱因斯坦的隐变量理论是这样的,首先无论如何,我相信光子是确实从某一条缝过去的,不管有没有在看。但他同时认为光子是比较聪明的,具有自然规律所允许的所有能力,它可以预先决定不同的概率分布。

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什么意思呢?所谓的隐变量,它可以决定实验最后的结果。在一次做实验当中,如果两条缝都开着,一个光子飞过来的时候,隐变量就故意 “命令” 光子跑出这种干涉的分布,尽管光子是从某一条缝钻过去的;如果只有一条缝的时候,隐变量就 “命令” 光子跑出这样的高斯分布,以至于最后是概率叠加。对于这样的观点,没有办法反驳,因为原理上确实可以这样,但人们又并不知道所谓隐变量到底是什么机制,在实验上没有办法证实。

所有的单粒子实验当中,隐变量的理论和量子力学理论,最后都可以来自洽地解释双缝干涉的实验结果。

大家很烦恼,上帝到底掷不掷骰子?如果掷骰子,人可能还有一点自由意志;如果上帝不掷骰子,我的命运和做什么事情,都是方程决定的。这个问题很重要,上帝到底掷不掷骰子,跟人到底有没有自由意志,某种意义上是联系在一起的。

第一次量子革命

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当时大家觉得爱因斯坦和玻尔是闲着没事干,反正薛定谔方程可以把氢原子能谱等等算得非常精确,用就行了。在应用量子力学规律的过程中,产生了很多的技术革新:核能、晶体管的发现、激光的发明、核磁共振、高温超导材料、巨磁阻效应的发现等。通过量子规律的被动观测,即使在宏观世界的体现应用,也已经很大程度上改变了我们的生活。某种意义上来讲,量子力学是现代信息技术的硬件基础,数学是软件基础,数学和物理结合在一起,奠定了整个现代信息技术的基础。

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正是有了半导体,才有现代意义上的通用计算机;然后在加速器的数据往全世界传递的过程中,催生了万维网;为了检验相对论,利用量子力学构建非常精确的原子钟,在原子钟的帮助之下,可以进行GPS卫星全球定位、导航等等,第一次量子革命直接催生了现代信息技术。

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大家经常讲,我们现在为什么有卡脖子的问题,其实可以看到,一部手机里面凝聚了很多跟量子力学相关的基础物理、基础化学成果:半导体器件是2009年诺贝尔物理学奖、集成电路是2000年诺贝尔物理学奖等等,一部手机当中,有八项诺贝尔奖成果在里面。如果基础研究不行的话,我们被卡脖子是一个难以避免的结果。

现代信息技术遭遇的两大挑战

随着信息技术进一步发展,逐渐地遇到一些了问题。一个问题就是信息安全瓶颈。实现信息的安全传送,自古以来就是人类的梦想。

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在公元前7世纪,古希腊斯巴达人用加密棒,把一个布带缠到加密棒上,写上 “明天发动攻击”(attack tomorrow),命令发布完之后,如果别人没有同样半径的加密棒的话,信息是读不出来的,这是最原始的加密方法。

后来到了公元前1世纪左右,凯撒大帝发明了更好用的办法——把26个字符移动一下,这样移动完之后,“明天发动攻击” 就变成DWWD等等,只有预先约定的人知道这个命令究竟是什么。

这样一些非常聪明但很古老的加密算法,其实可以用字符出现频率的方法加以破解。英语中A出现的概率是8%,B出现的概率是1.8%,等等。不管字符怎么变化,只要文字是固定的,我们拿出来算算字符频率,出现8%就是A,出现1.8%就是B。一封信如果有几千个字符,很大概率可以被破解。

二战期间,人们又设计了更加复杂的密码,到后来还有RSA公钥加密算法,但是随着计算能力的提高,这些都被破解了。2017年,利用在座的王小云教授发明的一种方法,把SHA-1算法破解了。

前面的历史告诉我们,有矛必有盾,基于计算复杂度的经典密码,总有方法可以破解掉。大概在一百多年之前,有一位作家写了一句话:“人可能不够聪明,以至于没有办法构建一种我们自己破解不了的密码。”

我们遇到的另一个问题是难以满足人类对计算能力的巨大需求。最早的时候,1940年代的 Colossus 计算机,重量1吨,功率8.5千瓦,每秒运算速率五千次,当时人们觉得这已经很快了,按照IBM的前总裁 Thomas Watson 的说法,全世界大概只需要五台这样的计算机就够了。

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