量子计算百年风云史 “量子比特”何时统治世界？

变了世界的面貌，也从来没有一门技术能像量子通信和量子计算这样给予人类的未来如此无尽的想象力。

　　直至1989年，蒂姆·伯纳斯·李（TIm Berners-Lee）才提出了"万维网"（World Wide Web）的理念，因特网的最早雏形 ARPANET 在1969年就出现了，但直到1981年 CSNET 的建立以及次年 TCP/IP 协议的标准化，它才真正突飞猛进地发展起来。

　　直到1994年，世界上第一台严格意义上的智能手机才问世，1993年时，互联网历史上最原始的搜索引擎才诞生，而在1956年之前，甚至没有人专门研究人工智能。

　　智能手机和互联网的发展经验告诉我们，技术或产品并不一定要依靠很长时间的积累和沉淀才能大获成功，符合市场和消费者需求的必然成功。而人工智能的故事同时也启示我们，突破技术本身的瓶颈究竟会是多么艰难而痛苦的漫长过程。

　　在横跨过往3个世纪的时间里，量子计算的发展轨迹不只是关于科学和技术的历史，不只是关于科学家的历史，不只是历史拼图的一部分，从某种意义上来说，反而是历史本身的轨迹构成了它的发展和进化。

　　先声

　　1820年4月21日夜，安徒生的密友、历史上首次制作了铝、被丹麦用来命名本国第一颗人造卫星的物理学家奥斯特（Hans ChrisTIan rsted）在实验过程中无意间发现，当电流开启时，离导线太近的指南针的磁针就会偏转，偏转的程度轻微到在场的几乎所有人都没有注意到这个小小的细节，但是，奥斯特此时已经意识到，这充满偶然性的不期而遇的发现将电击一般震惊世界。

　　和助手进行电磁实验的奥斯特。 （Louis Figuier： Les merveilles de la science， ou Description populaire des inventions modernes （1867）， page 713）

　　抓住这瞬间的一次机会，仅仅3个月后，奥斯特就用拉丁文向全欧洲的大学投送了一篇4页的报告《基于磁针的电流效应之实验》（Experimenta circa effecturn conflictus electrici in acum magneticam）。一个药剂师的儿子就此颠覆了整个物理学的发展。

　　随后安培（André-Marie Ampère）、法拉第（Michael Faraday）这些伟大的天才一直没有放弃探究电磁背后的物理学的努力。到1831年，法拉第终于成功地使得机器驱动和磁力共同作用产生电力。而就在这一年，麦克斯韦（James Clerk Maxwell）也在爱丁堡出生。

　　安培的电磁理论是建立在他认为电荷间存在超距作用力的基础上的，而法拉第则坚持近距作用，然而，在亨利·卡文迪士（Henry Cavendish）及夏尔·库伦（Charles Augustin de Coulomb）等人的研究下，远距作用被成功量化，并能成功解释当时的大部分物理现象。

　　在这样的背景下，法拉第的力线、电紧张态（electrotonic state）等概念在当时的物理学界并没有受到多少重视和关注。然而天才的麦克斯韦很快就意识到法拉第思想的重要性，并试图通过数学的方法进一步探索出电磁背后的关系。

　　1865年，年轻的麦克斯韦在一次会议上宣读了他的论文《电磁场的动态理论》（A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field），在其中，他完全抛弃了牛顿的力学模型，完整地提出了电磁场理论，并率先提出了"场"（field）的概念，此外，麦克斯韦提出了电磁场的普遍方程组，其中包括20个方程式及20个变量，直到1890年，赫兹才给出了只有4个矢量方程的简化方程组。

　　从某种角度上来说，正是麦克斯韦思想及其天才的方程组的漫长验证过程促进了后来人对量子力学的理解和接受。

　　首先，两派都不约而同地在数学语言上投入了大量的天赋和精力并取得了非凡的成就，就如麦克斯韦放弃了用力学模型来描述他的电磁场才使得其理论开辟出新的理论和应用光辉一样，量子力学则抛弃了使用文字而转向几何学来描述自然世界和物理。

　　其次，量子力学的物理学家们和麦克斯韦在理论体系的结构上有着更深的相似，他们把宇宙分为两层，第一层包括薛定谔的函数方程、海森堡矩阵及狄拉克的矢态，这一层能够被精确计算却无法被观察，第二层则涵盖辐射偏振强度、量子自旋等，它们无法被精确计算却可以观察。

　　麦克斯韦和量子力学一样认为自然寓于第一层的纯粹数学世界之中，而人类则存在于第二层的力学世界里，因此，我们无法用第二层的语言去描述自然，而只有数学语言可以做到这一点。

物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）这样评价麦克斯韦的成就："麦克斯韦理论的最大重要性并不只是直接把解释和统一电磁现象，而在于提供了20世纪所有伟大物理发现的原型，这些伟大发现是爱因斯坦的相对论，是量子力学。"