量子计算百年风云史 “量子比特”何时统治世界？

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　　几天前揭晓的诺贝尔物理学奖，颁给了美国普林斯顿大学和布朗大学的两名学者，他们在20世纪70、80年代把拓扑（Topology）这个数学概念引入物理学，做了"物质拓扑相与拓扑相转变"方面的理论研究，简言之就是研究物质的奇异状态。诺贝尔组委会把电子学和超导体领域的发展归功于他们，并称"或将有助于未来量子计算机的发展"。

　　什么是量子计算，以及它的革命性在哪里？钛媒体「特稿组」对量子计算的前世今生进行了详细研究和梳理（《商业价值》10月刊封面文章），通过这篇文章，把我们对前沿科技领域的研究和你共享：

　　2016年8月16日，北京时间凌晨1时40分。

　　量子卫星"墨子号"在酒泉卫星发射中心成功升空。 （拍摄：Reuters/China Daily）

　　中国的长征号系列火箭在酒泉卫星发射中心刚刚成功完成了它的第234次发射任务，这一次，它搭载的是"墨子号"量子实验科学卫星（QUESS，Quantum Experiments at Space Scale），这是世界上第一颗量子卫星，也是人类首次通过卫星实现地球和外太空之间的通信。

　　《纽约时报》（The New York TImes）这样评价墨子号的意义：这是中国为争取站在量子研究最前沿而迈出的重要一步。

　　此时，距离我国量子卫星正式立项也只过去了不到5年而已，距离潘建伟在2003年提出发射量子卫星仅仅过去了13年时间，距离潘建伟回到国内建立起了中国第一个操控光子的量子属性的实验室只有15年。

　　而查尔斯·本内特（Charles Bennett）和吉尔斯·巴撒德（Gilles Brassard）在1984年提出第一份量子密钥分发协议——即BB84协议——以及1948年克劳德·香农（Claude Elwood Shannon）建立现代信息理论则是仅仅是几十年前的时间。

　　如果说香农用数学定义了信息的概念，那么 BB84协议向大家展示了量子理论应用到通信中的广阔前景和巨大想象力，信息收发者通过量子频道设定密钥，而基于测不准原理，任何觊觎信息的窃听者都会破坏到数据使得收发双方发现，这就保证了没有任何人能够在不被当事人发现的情况下窃取信息。

　　这就是量子通信的基础和最大优势，利用量子频道的超高安全性和信息容量、传输速度上的优势来接发信息，这正是量子计算在现实世界中最具实践场景、最具操作可行性的应用之一。

　　事实上，直到30多年前，费曼才提出量子计算机的设想，而直到100多年前，在解决黑体辐射问题的过程中，普朗克发现了辐射量子化的现象，他假设能量只能在微小、各异、相互远离的能量包中进行释放或吸收，才第一次提出了"量子"的概念。在此基础上经过后续半个多世纪的发展，量子理论发扬光大，它与经典物理理论有着5个显著不同的特性：

　　非决定论（indeterminism）

　　在牛顿体系中，只要知道观测对象的初始位置和速度，就能预测它的轨迹，然而，在量子理论中，唯一能预测的只有可能性。

　　量子干涉（interference）

　　在波理论中，当两个相干（coherent）的波源叠加时变产生干涉，而在量子理论中，即使单粒子也能显示出这样的特性，因此，量子干涉使得波粒二象性存在所有物质之中。

　　测不准（uncertainty）

　　这是量子理论的核心，亦即我们无法同时了解到量子的位置和动量，而一旦对例子进行测量，则又会失去这些信息。

　　量子叠加（superposiTIon）

　　一个量子可以同时处于两种允许状态的线性叠加状态，这意味着一个量子可以同时处于这里或那里，在与外部环境发生关系的过程中，量子极容易丧失这一特性，而叠加态又是量子计算和量子通信的核心目标。

　　量子纠缠（entanglement）

　　意指同时拥有多个量子的强量子关联，1935年，爱因斯坦等人提出了 EPR 悖论来质疑量子理论的完备性，并试图以定域性隐变理论来替代量子理论，但是，1964年，贝尔不等式证明任何满足 RPR 假设的两个粒子经典关联必然在一定数量以下，而两个纠缠态的量子并不符合此不等式，因此，量子纠缠无法用任何经典关联进行解释，而只能是一种罕有的量子世界现象。

　　在量子理论发展的100多年时间里，我们将会看到围绕着这些难以捉摸的现象和概念，那些在人类历史上数一数二的天才们殚精竭虑为捍卫自己的观点而相互颉颃，而在二战以后，量子理论的这些特性又是如何帮助现代的科学家们建立新的算法和应用、如何利用量子通信、量子计算机等量子计算去想象世界的另一种可能性。

在历史上，从来没有一个理论像量子力学这样如此深远地改