世界量子日特别节目——陆朝阳教授寄语量子信息专业学生

本文最初发布于2024年4月15日，归纳整理自4月14日“抖音知识”世界量子日直播活动，该活动由李永乐老师主持。

李永乐：近年来，量子这个词在社会上逐渐流行起来。不过，对于量子究竟是什么，很多人可能还不是非常清楚。能否用一句话来介绍量子论是什么，以及它的用途？

陆朝阳：量子论是物理学家探索物理世界奥秘的过程中发展出的一套理论。当我们研究微观世界，即比我们的头发丝还要小一百万倍的领域时，我们发现了与日常生活中的规律不同的物理规律。量子理论并非遥不可及，实际上，它每天都在我们的生活中发挥作用，比如我们使用的电脑、激光器、核磁共振技术等。

李永乐：有人说量子论是物理学中最奇怪的理论，甚至有人将其与其他物理理论区分开来。为什么会产生这样的区分？量子论最独特、最奇怪的地方在哪里？

陆朝阳：量子力学中最为奇特的部分在于，首先，存在一个构成我们物质的最小单位。费曼曾说，如果人类文明毁灭，只留下一句话，那么他希望留下的是“物质是由原子组成的”。在这个基础上，物质所处的状态并非连续的，就像我们只能站在楼梯的某一阶，而不能站在两个台阶之间。更令人惊讶的是，物质可以同时处于多个状态，例如同时处于第一个和第三个台阶，这称为相干叠加。我们现有的各种技术基本上都是基于这一原理。这一点非常奇特，我不确定其深层次的原因。

李永乐：有观众询问，我们能否在家中进行双缝干涉实验？

陆朝阳：在家中进行双缝干涉实验是可行的。如果你有激光笔和一根头发，就可以进行这个实验。头发的直径大约是几十微米，通过将激光照射穿过头发，你可以观察到明暗相间的条纹。这些条纹的出现也可以解释为衍射现象，而衍射本身是干涉的一种表现。通过测量条纹的间距，可以推算出头发的尺寸。

李永乐：如何看待量子论的不同解释？

陆朝阳：当相对论首次出现时，并没有引发太多关注。然而，一位英国科学家通过观察太阳引起的光的折射现象，迅速接受了相对论。这一历史事件向我们阐明了一个理论无论多么优美，最终都需要通过实验来证实。因此，无论是哥本哈根解释、波姆力学，还是局域隐变量理论以及非局域隐变量理论，它们都需要经过实验的检验。在量子力学的早期发展阶段，学界出现了一种名为“闭嘴计算”（shut up and calculate）的思潮，主张不应过分关注理论的解释，而应专注于其实用性。薛定谔方程的实用性非常高，它能够精确预测出各种光谱限制，以及我们今天所使用的GPS导航系统和光钟所依赖的时间信息。这种实用性就像一位厨师已经为你烹制了美味的菜肴，你无需关心这道菜是如何制作的。

然而，仍有一部分人希望探索更深层次的原理。这包括爱因斯坦和玻尔之间的三次著名争论，第一次是可移动的狭缝，第二次是光子盒，第三次是用量子纠缠的概念试图寻找量子力学的各种可能漏洞。这些探索构成了我们现在所说的第二次量子革命的基础。如果没有对纠缠和量子现象的好奇心，我们可能不会有动力在实验室中隔离、制备、操纵和测量单个光子和原子，以及将它们形成纠缠态，进而开展更多的研究。

目前，量子理论存在众多不同的解释，其中一个重要原因是实验技术尚未足够先进。另一个原因是，一些不同的解释尚未能提供像贝尔不等式那样的可观测效应。如果我们有两种解释，在哲学上它们都是自洽的，但我们仍需要找到一个实验点，通过这个点的实验可以判断哪一种解释是正确的。贝尔不等式就是这样一个例子，它揭示了量子力学与局域隐变量理论之间的冲突，并通过实验进行了检验。

我们期待各种不同的解释能够找到可观测的效应，随着实验技术的发展，能够揭示它们之间的差异。这类似于经典物理学时代，当时的理论看似完善，但直到发现了黑体辐射等现象，才迫使我们发展出更深层次的理论。

李永乐：关于量子论的基础问题，我们以后有机会再探讨。现在我们来讨论一些比较实际的话题，量子论在生活中到底有什么用？

陆朝阳：量子力学诞生至今已有120年的历史。在这前100年的时间里，我们现在称之为第一次量子革命。量子论使我们能够理解物质的能级和能带结构，从而对物质进行分类，如绝缘体、半导体、超导体等。这些概念推动了半导体技术的发展，影响了我们的手机、电脑等设备。

此外，激光技术被誉为“最亮的光”、“最快的刀”、“最准的尺”，在工业激光切割、医疗手术以及互联网光纤通讯等领域得到了广泛应用。可以说，量子论已经彻底改变了我们的技术面貌和经济发展轨迹，对人类社会产生了极其深远的影响。

目前，我们正处于另一种形式的变革之中，即自底而上的第二次量子革命。在过去，我们观察到的现象，如激光，其中的电子、原子类似于广场舞中所有人做相同的动作。而现在，我们希望能够单独控制、制备和测量每一个原子，以此打开新的应用前景，这称为第二次量子革命，目前还处于非常初步的阶段，其应用范围和影响力远远低于第一次量子革命。但我们相信其未来潜力巨大，目前看到的可能只是冰山一角。

第二次量子革命的一个主要应用领域是量子保密通讯。例如，薛定谔的猫实验中，猫在未观测前处于既死又活的叠加状态。根据哥本哈根解释，观测会导致其塌缩到一个确定的状态。而在多世界解释中，猫可能在多个世界中同时存在，我们看到的只是其中一个世界。这种特性可以用来确保信息安全，因为任何试图窃听的行为都会不可避免地改变物理载体的状态，从而被探测到。

第二个应用领域是量子精密测量。通过操纵单个物理比特，如原子、光子或其他材料，我们可以更加敏感地感知物理变量的变化，如电场、磁场或重力。例如，使用冷原子干涉仪测量重力加速度的变化，或者使用金刚石色心测量磁场的微小变化。

最后，量子计算和模拟可能是难度最大但最受公众关注的领域。这一概念最早由费曼在1981年提出。作为理论物理学家，费曼意识到量子系统的计算复杂度随着粒子数量的增加而呈指数级增长。因此，他提出使用量子计算机来模拟量子系统，以解决经典计算机难以处理的问题。目前，我们正致力于自底而上地操纵每一个原子、光子或超导比特，构建量子计算机和量子模拟装置。这些装置可以帮助我们更好地理解多体物理问题，如大分子的模拟，这些问题对于传统超级计算机来说可能过于耗电或无法解决，而量子计算则提供了一种更为适合的解决方案。

李永乐：对于某一些关注度比较高的问题，例如人工智能大模型。量子计算机能否用于训练人工智能大模型？如果量子计算机能够实现这一目标，我们是否应该对这种强大的计算能力感到担忧？

陆朝阳：当前，量子算法并不适用于处理大数据问题。当数据量极为庞大时，需要将这些数据转换为量子比特进行计算。然而，首先，我们现有的量子比特数量非常有限。对于大数据中包含的大量比特，如人工智能领域或天气预报中的数据，我们并没有足够的量子比特来支撑这样的计算。其次，现有的量子比特都是物理比特，我们仍需解决诸如纠错等技术问题。因此，在现有的人类知识体系中，量子计算能够解决的问题范围相对狭窄，主要集中在如大数分解算法等，这些问题的数据量本身不大，但计算复杂度极高，不属于P类问题。

近日，清华大学一位年轻的教授陈一镭，在预印本网站上发表了一篇论文，提出了一种可能破解格密码的量子算法。尽管该论文尚未经过同行审议，可能需要半年到一年的时间进行审查，但如果这一量子算法被证实是正确的，它将成为量子计算算法领域三十年来最大的突破。格密码问题的难度甚至超过了大数分解，是一个NP难问题。这一领域的任何算法突破都会引发极大的兴奋，正如我们在朋友圈中广泛传播这位清华年轻教授的工作一样。

在目前的技术水平下，量子计算对于训练人工智能大模型尚无能为力。我们目前主要的研究方向是利用人工智能来辅助量子计算，即AI for Quantum，而Quantum for AI的实现可能还需要很长时间。

对于是否需要对强大的量子计算能力感到恐惧，目前来说，将量子算法与算力这一概念直接关联可能并不准确。当我们的九章量子计算原型机推出时，《科学美国人》的记者曾问及，我们是否应该对这种强大的算力感到害怕。我的回答是，我们不应该感到害怕，这恰恰表明量子计算仍处于非常初步的阶段。我们应该警惕的是，一些不靠谱的量子计算公司可能会诱导个人投资者投资，这才是我们应该感到担忧的时候。

最近，谷歌公司悬赏五百万美元，面向全球征集既具有量子优越性又具有实际应用价值的问题。谷歌目前在量子计算领域的投入极为巨大，他们不仅从加州大学圣芭芭拉分校挖走了整个团队，还持续招募人才，目前团队规模已达300人，其中约有80至100人专注于理论研究和算法开发。即便如此强大的团队，他们仍需向全球征集新的算法，这正凸显了我们对重要量子算法的迫切需求。与此同时，这也与一些量子初创公司的宣传形成了鲜明对比，这些公司往往过于乐观地宣称他们的技术已经成熟，能够解决各种问题。

李永乐：看起来量子计算机要想去帮助我们的人工智能大模型，可能还是需要一段时间的。甚至于我们可能现在连一些很基础的问题，量子计算机都无能为力，它只能处理一些特定的问题，我是不是可以这么理解？

陆朝阳：量子计算机在原理设计上旨在加速解决某些特定类型的问题。从更高层次的原理来看，根据图灵机的原理，量子计算机实际上包含了经典计算机。我们目前使用的电脑是量子计算机的一个子集，它放弃了量子计算中的相干叠加特性，仅使用0和1这两种状态。

现代计算机之所以能够进行高速计算，是因为它们具有高频率的时钟，例如10 GHz甚至100 GHz，有时还通过GPU和超级计算机进行加速，从而实现更快的处理速度。相比之下，目前的量子计算机，无论是基于超导技术、离子阱、中性原子还是光子，它们的计算重复频率都远远低于经典计算机。而且，如果未来实现了量子纠错技术，并开始使用逻辑比特，那么量子计算机的计算重复频率可能会进一步降低。因此，在处理那些经典计算机已经能够有效处理的任务时，例如制作PPT、观看电影或进行简单数学计算，我们自然会选择时钟频率更高、成本更低的经典计算机。

李永乐：我们刚才谈到的是量子计算机，我还对另外一个话题很感兴趣，就是量子隐形传输。那么因为它听上去特别科幻，说有一个量子态在瞬间就可以被传递到另外一个地方，就好像传真一样，但是这个传真它又不需要时间，据说我们国家之前发射的墨子号量子卫星上就进行过相关的实验，那么能不能给我们介绍一下具体的进展呢？这项量子隐形传输技术在未来发展的前景如何呢？有没有可能以后把我们人类也在星际空间里以一种传真的方式旅行？

陆朝阳：李老师在刚才的讲述中有一处科学上不准确的地方，即提到量子隐形传态不需要时间。实际上，量子隐形传态是需要时间的。这是一种非常有趣的量子方案。假设我的盒子里有一个由一百个电子组成的物体，每个电子都处于一个量子状态。由于量子状态的特殊性，一旦观察就会改变，所以在传输过程中不能直接观察这些电子的状态。但是，我们可以采取一种方法，使得这些电子的量子状态能够从一个地方传输到另一个地方。例如，我在上海的办公室里希望将这些电子的状态传输到人大附中，而不能通过传统的交通方式进行。

具体操作方法是，首先在我和李老师办公室之间建立起一种纠缠态，使得双方的电子处于纠缠状态。然后，我将需要传输的电子状态与纠缠的电子进行相互作用并进行测量，之后我会将测量结果，即一百个4比特的信息，传递给李老师。李老师根据这些信息进行相应的操作，就可以重构出原来盒子中电子的状态。这个过程虽然完美地传输了电子的量子状态，但双方实际上并不知道这些电子的具体状态。需要注意的是，传输这些经典信息的速度是受限于光速的，因此量子隐形传态并非瞬时的。

早在1997年，国际上就已经使用光子进行了这方面的演示，这也是我的导师的导师、奥地利科学院院长Anton Zeilinger获得2022年诺贝尔物理学奖的原因之一。

此后，我们还进行了更加复杂的实验，因为早期只能传一个光子的一个自由度。在2015年，我们实现了传输光子的多个自由度，这就像是传输一个人的多个特征一样，当然假设这些特征也是量子态的话。这项成果被评为国际物理学年度突破之首。2019年，我们又发展了一种方法，可以传输多能级量子比特，即0、1、2任意相干叠加的状态。此外，我们还进行了远距离传输的实验，包括16公里的地面传输以及从地面到卫星的远距离传输。

然而，目前我们还不清楚能够传输的系统的最大规模。可能的边界是会出现消相干这类现象，当超过我们量子控制技术的水平时，我们就无法继续传输了。

量子隐形传态本身并非我们的最终目标，它更多地是一种工具，是其中的一个模块。在量子计算中，我们经常需要将一个超导芯片上的比特传输到另一个芯片上，因此量子隐形传态是实现远距离分布式量子计算的重要模块。在量子计算中，当我们需要对距离较远的逻辑比特进行逻辑操作时，也可以使用这种手段。此外，量子隐形传态在量子纠错等多个方面也是一种非常有用的工具，它将贯穿于量子计算的始终，并在未来的量子网络中发挥重要作用。

李永乐：在节目的最后，您对量子力学有什么感悟想要分享？

陆朝阳：我想用这本书里面的前言，与在线的各位读者分享：当我们今天再次谈起牛顿的时代，心中更多的是对那段光辉岁月的怀旧和奠基，但是量子论仍然深深的影响着困扰着我们，就像青涩的橄榄，嚼得越久，反而越加滋味无穷。量子理论是一个极为复杂又难解的谜体，她像一个神秘的少女，我们天天与她相见，却无法猜透她的内心世界。

我认为，许多前沿技术的研究——如量子计算如何扩展到更大规模，如何使其解决实际且重要的问题，如何发现更为强大的量子算法，如何使其揭示物质世界的深层奥秘，无论是在材料科学、医药领域，还是在量子引力的研究中，试图将四种基本作用力完全统一起来——在很大程度上需要现在的中学生、小学生，甚至幼儿园的孩子们的未来参与和努力。这是一个需要一代又一代人接力奋斗的事业。

李永乐：还有一个观众问题，她的女儿在安徽大学读量子信息专业，她想知道对于孩子毕业读研读博有什么建议？

陆朝阳：2021年，教育部首次设立了量子信息科学这一新兴专业，目前我国已有十几所高等院校开设了该专业。对于选择该专业的学生，我首先建议的是要对这一领域有热爱和兴趣，因为只有兴趣才能激发持之以恒的毅力。随着量子信息技术的发展，新入学的学生在进入实验室后需要阅读大量的文献资料，了解之前积累的技术成果和发展历程。这是一个需要长期积累的过程。

其次，学生需要选择一个合适的研究课题。对于年轻学生来说，不宜一开始就挑战如量子引力这样复杂且全球众多物理学家数十年都未能解决的问题。同时，也要避免选择过于简单、缺乏挑战性的课题，因为这将导致研究成果缺乏价值。学生应为自己设定一些具有挑战性，但通过努力可以达成的目标，并不断提升自己的研究水平。

我认为，研究生阶段的一个良好状态是，每过半年或一年，学生能够意识到之前的自己“很蠢”。这种自我反思的过程意味着学生的认识水平在不断提高。经过四到五年的学习，如果每年都能实现认知的翻倍，那么到毕业时，学生的智慧将比入学时增长三十二倍，这样的话我觉得就达到博士毕业的水平了。

目前，量子信息技术领域无论是在学术研究还是在技术应用方面，都有着广阔的就业前景。因此，我建议学生不必过于担忧，既然选择了自己感兴趣的领域，就应该勇敢地继续前进。同时，学生需要为自己设定合适的目标，通过不断地努力和进步，实现这些目标。

关于世界量子日

世界量子日（网站：
https://worldquantumday.org/）是由来自65多个国家的量子科学家发起的一项倡议，于2021年4月14日启动，中国的量子科学家潘建伟和陆朝阳是这项倡议的发起人之一。4·14是普朗克常数用电子伏特表示的前三个数字，这是能量和时间的乘积，是支配量子物理的基本常数。