世界量子日特別節目——陸朝陽教授寄語量子信息專業學生

李永樂：近年來，量子這個詞在社會上逐漸流行起來。不過，對於量子究竟是什麼，很多人可能還不是非常清楚。能否用一句話來介紹量子論是什麼，以及它的用途？

陸朝陽：量子論是物理學家探索物理世界奧秘的過程中發展出的一套理論。當我們研究微觀世界，即比我們的頭髮絲還要小一百萬倍的領域時，我們發現了與日常生活中的規律不同的物理規律。量子理論並非遙不可及，實際上，它每天都在我們的生活中發揮作用，比如我們使用的電腦、激光器、核磁共振技術等。

李永樂：有人說量子論是物理學中最奇怪的理論，甚至有人將其與其他物理理論區分開來。爲什麼會產生這樣的區分？量子論最獨特、最奇怪的地方在哪裡？

陸朝陽：量子力學中最爲奇特的部分在於，首先，存在一個構成我們物質的最小單位。費曼曾說，如果人類文明毀滅，只留下一句話，那麼他希望留下的是“物質是由原子組成的”。在這個基礎上，物質所處的狀態並非連續的，就像我們只能站在樓梯的某一階，而不能站在兩個臺階之間。更令人驚訝的是，物質可以同時處於多個狀態，例如同時處於第一個和第三個臺階，這稱爲相干疊加。我們現有的各種技術基本上都是基於這一原理。這一點非常奇特，我不確定其深層次的原因。

李永樂：有觀衆詢問，我們能否在家中進行雙縫干涉實驗？

陸朝陽：在家中進行雙縫干涉實驗是可行的。如果你有激光筆和一根頭髮，就可以進行這個實驗。頭髮的直徑大約是幾十微米，通過將激光照射穿過頭髮，你可以觀察到明暗相間的條紋。這些條紋的出現也可以解釋爲衍射現象，而衍射本身是干涉的一種表現。通過測量條紋的間距，可以推算出頭髮的尺寸。

李永樂：如何看待量子論的不同解釋？

陸朝陽：當相對論首次出現時，並沒有引發太多關注。然而，一位英國科學家通過觀察太陽引起的光的折射現象，迅速接受了相對論。這一歷史事件向我們闡明瞭一個理論無論多麼優美，最終都需要通過實驗來證實。因此，無論是哥本哈根解釋、波姆力學，還是局域隱變量理論以及非局域隱變量理論，它們都需要經過實驗的檢驗。在量子力學的早期發展階段，學界出現了一種名爲“閉嘴計算”（shut up and calculate）的思潮，主張不應過分關注理論的解釋，而應專注於其實用性。薛定諤方程的實用性非常高，它能夠精確預測出各種光譜限制，以及我們今天所使用的GPS導航系統和光鍾所依賴的時間信息。這種實用性就像一位廚師已經爲你烹製了美味的菜餚，你無需關心這道菜是如何製作的。

然而，仍有一部分人希望探索更深層次的原理。這包括愛因斯坦和玻爾之間的三次著名爭論，第一次是可移動的狹縫，第二次是光子盒，第三次是用量子糾纏的概念試圖尋找量子力學的各種可能漏洞。這些探索構成了我們現在所說的第二次量子革命的基礎。如果沒有對糾纏和量子現象的好奇心，我們可能不會有動力在實驗室中隔離、製備、操縱和測量單個光子和原子，以及將它們形成糾纏態，進而開展更多的研究。

目前，量子理論存在衆多不同的解釋，其中一個重要原因是實驗技術尚未足夠先進。另一個原因是，一些不同的解釋尚未能提供像貝爾不等式那樣的可觀測效應。如果我們有兩種解釋，在哲學上它們都是自洽的，但我們仍需要找到一個實驗點，通過這個點的實驗可以判斷哪一種解釋是正確的。貝爾不等式就是這樣一個例子，它揭示了量子力學與局域隱變量理論之間的衝突，並通過實驗進行了檢驗。

我們期待各種不同的解釋能夠找到可觀測的效應，隨着實驗技術的發展，能夠揭示它們之間的差異。這類似於經典物理學時代，當時的理論看似完善，但直到發現了黑體輻射等現象，才迫使我們發展出更深層次的理論。

李永樂：關於量子論的基礎問題，我們以後有機會再探討。現在我們來討論一些比較實際的話題，量子論在生活中到底有什麼用？

陸朝陽：量子力學誕生至今已有120年的歷史。在這前100年的時間裡，我們現在稱之爲第一次量子革命。量子論使我們能夠理解物質的能級和能帶結構，從而對物質進行分類，如絕緣體、半導體、超導體等。這些概念推動了半導體技術的發展，影響了我們的手機、電腦等設備。

此外，激光技術被譽爲“最亮的光”、“最快的刀”、“最準的尺”，在工業激光切割、醫療手術以及互聯網光纖通訊等領域得到了廣泛應用。可以說，量子論已經徹底改變了我們的技術面貌和經濟發展軌跡，對人類社會產生了極其深遠的影響。

目前，我們正處於另一種形式的變革之中，即自底而上的第二次量子革命。在過去，我們觀察到的現象，如激光，其中的電子、原子類似於廣場舞中所有人做相同的動作。而現在，我們希望能夠單獨控制、製備和測量每一個原子，以此打開新的應用前景，這稱爲第二次量子革命，目前還處於非常初步的階段，其應用範圍和影響力遠遠低於第一次量子革命。但我們相信其未來潛力巨大，目前看到的可能只是冰山一角。

第二次量子革命的一個主要應用領域是量子保密通訊。例如，薛定諤的貓實驗中，貓在未觀測前處於既死又活的疊加狀態。根據哥本哈根解釋，觀測會導致其塌縮到一個確定的狀態。而在多世界解釋中，貓可能在多個世界中同時存在，我們看到的只是其中一個世界。這種特性可以用來確保信息安全，因爲任何試圖竊聽的行爲都會不可避免地改變物理載體的狀態，從而被探測到。

第二個應用領域是量子精密測量。通過操縱單個物理比特，如原子、光子或其他材料，我們可以更加敏感地感知物理變量的變化，如電場、磁場或重力。例如，使用冷原子干涉儀測量重力加速度的變化，或者使用金剛石色心測量磁場的微小變化。

最後，量子計算和模擬可能是難度最大但最受公衆關注的領域。這一概念最早由費曼在1981年提出。作爲理論物理學家，費曼意識到量子系統的計算複雜度隨着粒子數量的增加而呈指數級增長。因此，他提出使用量子計算機來模擬量子系統，以解決經典計算機難以處理的問題。目前，我們正致力於自底而上地操縱每一個原子、光子或超導比特，構建量子計算機和量子模擬裝置。這些裝置可以幫助我們更好地理解多體物理問題，如大分子的模擬，這些問題對於傳統超級計算機來說可能過於耗電或無法解決，而量子計算則提供了一種更爲適合的解決方案。

李永樂：對於某一些關注度比較高的問題，例如人工智能大模型。量子計算機能否用於訓練人工智能大模型？如果量子計算機能夠實現這一目標，我們是否應該對這種強大的計算能力感到擔憂？

陸朝陽：當前，量子算法並不適用於處理大數據問題。當數據量極爲龐大時，需要將這些數據轉換爲量子比特進行計算。然而，首先，我們現有的量子比特數量非常有限。對於大數據中包含的大量比特，如人工智能領域或天氣預報中的數據，我們並沒有足夠的量子比特來支撐這樣的計算。其次，現有的量子比特都是物理比特，我們仍需解決諸如糾錯等技術問題。因此，在現有的人類知識體系中，量子計算能夠解決的問題範圍相對狹窄，主要集中在如大數分解算法等，這些問題的數據量本身不大，但計算複雜度極高，不屬於P類問題。

近日，清華大學一位年輕的教授陳一鐳，在預印本網站上發表了一篇論文，提出了一種可能破解格密碼的量子算法。儘管該論文尚未經過同行審議，可能需要半年到一年的時間進行審查，但如果這一量子算法被證實是正確的，它將成爲量子計算算法領域三十年來最大的突破。格密碼問題的難度甚至超過了大數分解，是一個NP難問題。這一領域的任何算法突破都會引發極大的興奮，正如我們在朋友圈中廣泛傳播這位清華年輕教授的工作一樣。

在目前的技術水平下，量子計算對於訓練人工智能大模型尚無能爲力。我們目前主要的研究方向是利用人工智能來輔助量子計算，即AI for Quantum，而Quantum for AI的實現可能還需要很長時間。

對於是否需要對強大的量子計算能力感到恐懼，目前來說，將量子算法與算力這一概念直接關聯可能並不準確。當我們的九章量子計算原型機推出時，《科學美國人》的記者曾問及，我們是否應該對這種強大的算力感到害怕。我的回答是，我們不應該感到害怕，這恰恰表明量子計算仍處於非常初步的階段。我們應該警惕的是，一些不靠譜的量子計算公司可能會誘導個人投資者投資，這纔是我們應該感到擔憂的時候。

最近，谷歌公司懸賞五百萬美元，面向全球徵集既具有量子優越性又具有實際應用價值的問題。谷歌目前在量子計算領域的投入極爲巨大，他們不僅從加州大學聖芭芭拉分校挖走了整個團隊，還持續招募人才，目前團隊規模已達300人，其中約有80至100人專注於理論研究和算法開發。即便如此強大的團隊，他們仍需向全球徵集新的算法，這正凸顯了我們對重要量子算法的迫切需求。與此同時，這也與一些量子初創公司的宣傳形成了鮮明對比，這些公司往往過於樂觀地宣稱他們的技術已經成熟，能夠解決各種問題。

李永樂：看起來量子計算機要想去幫助我們的人工智能大模型，可能還是需要一段時間的。甚至於我們可能現在連一些很基礎的問題，量子計算機都無能爲力，它只能處理一些特定的問題，我是不是可以這麼理解？

陸朝陽：量子計算機在原理設計上旨在加速解決某些特定類型的問題。從更高層次的原理來看，根據圖靈機的原理，量子計算機實際上包含了經典計算機。我們目前使用的電腦是量子計算機的一個子集，它放棄了量子計算中的相干疊加特性，僅使用0和1這兩種狀態。

現代計算機之所以能夠進行高速計算，是因爲它們具有高頻率的時鐘，例如10 GHz甚至100 GHz，有時還通過GPU和超級計算機進行加速，從而實現更快的處理速度。相比之下，目前的量子計算機，無論是基於超導技術、離子阱、中性原子還是光子，它們的計算重複頻率都遠遠低於經典計算機。而且，如果未來實現了量子糾錯技術，並開始使用邏輯比特，那麼量子計算機的計算重複頻率可能會進一步降低。因此，在處理那些經典計算機已經能夠有效處理的任務時，例如製作PPT、觀看電影或進行簡單數學計算，我們自然會選擇時鐘頻率更高、成本更低的經典計算機。

李永樂：我們剛纔談到的是量子計算機，我還對另外一個話題很感興趣，就是量子隱形傳輸。那麼因爲它聽上去特別科幻，說有一個量子態在瞬間就可以被傳遞到另外一個地方，就好像傳真一樣，但是這個傳真它又不需要時間，據說我們國家之前發射的墨子號量子衛星上就進行過相關的實驗，那麼能不能給我們介紹一下具體的進展呢？這項量子隱形傳輸技術在未來發展的前景如何呢？有沒有可能以後把我們人類也在星際空間裡以一種傳真的方式旅行？

陸朝陽：李老師在剛纔的講述中有一處科學上不準確的地方，即提到量子隱形傳態不需要時間。實際上，量子隱形傳態是需要時間的。這是一種非常有趣的量子方案。假設我的盒子裡有一個由一百個電子組成的物體，每個電子都處於一個量子狀態。由於量子狀態的特殊性，一旦觀察就會改變，所以在傳輸過程中不能直接觀察這些電子的狀態。但是，我們可以採取一種方法，使得這些電子的量子狀態能夠從一個地方傳輸到另一個地方。例如，我在上海的辦公室裡希望將這些電子的狀態傳輸到人大附中，而不能通過傳統的交通方式進行。

具體操作方法是，首先在我和李老師辦公室之間建立起一種糾纏態，使得雙方的電子處於糾纏狀態。然後，我將需要傳輸的電子狀態與糾纏的電子進行相互作用並進行測量，之後我會將測量結果，即一百個4比特的信息，傳遞給李老師。李老師根據這些信息進行相應的操作，就可以重構出原來盒子中電子的狀態。這個過程雖然完美地傳輸了電子的量子狀態，但雙方實際上並不知道這些電子的具體狀態。需要注意的是，傳輸這些經典信息的速度是受限於光速的，因此量子隱形傳態並非瞬時的。

早在1997年，國際上就已經使用光子進行了這方面的演示，這也是我的導師的導師、奧地利科學院院長Anton Zeilinger獲得2022年諾貝爾物理學獎的原因之一。

此後，我們還進行了更加複雜的實驗，因爲早期只能傳一個光子的一個自由度。在2015年，我們實現了傳輸光子的多個自由度，這就像是傳輸一個人的多個特徵一樣，當然假設這些特徵也是量子態的話。這項成果被評爲國際物理學年度突破之首。2019年，我們又發展了一種方法，可以傳輸多能級量子比特，即0、1、2任意相干疊加的狀態。此外，我們還進行了遠距離傳輸的實驗，包括16公里的地面傳輸以及從地面到衛星的遠距離傳輸。

然而，目前我們還不清楚能夠傳輸的系統的最大規模。可能的邊界是會出現消相干這類現象，當超過我們量子控制技術的水平時，我們就無法繼續傳輸了。

量子隱形傳態本身並非我們的最終目標，它更多地是一種工具，是其中的一個模塊。在量子計算中，我們經常需要將一個超導芯片上的比特傳輸到另一個芯片上，因此量子隱形傳態是實現遠距離分佈式量子計算的重要模塊。在量子計算中，當我們需要對距離較遠的邏輯比特進行邏輯操作時，也可以使用這種手段。此外，量子隱形傳態在量子糾錯等多個方面也是一種非常有用的工具，它將貫穿於量子計算的始終，並在未來的量子網絡中發揮重要作用。

李永樂：在節目的最後，您對量子力學有什麼感悟想要分享？

陸朝陽：我想用這本書裡面的前言，與在線的各位讀者分享：當我們今天再次談起牛頓的時代，心中更多的是對那段光輝歲月的懷舊和奠基，但是量子論仍然深深的影響着困擾着我們，就像青澀的橄欖，嚼得越久，反而越加滋味無窮。量子理論是一個極爲複雜又難解的謎體，她像一個神秘的少女，我們天天與她相見，卻無法猜透她的內心世界。

我認爲，許多前沿技術的研究——如量子計算如何擴展到更大規模，如何使其解決實際且重要的問題，如何發現更爲強大的量子算法，如何使其揭示物質世界的深層奧秘，無論是在材料科學、醫藥領域，還是在量子引力的研究中，試圖將四種基本作用力完全統一起來——在很大程度上需要現在的中學生、小學生，甚至幼兒園的孩子們的未來參與和努力。這是一個需要一代又一代人接力奮鬥的事業。

李永樂：還有一個觀衆問題，她的女兒在安徽大學讀量子信息專業，她想知道對於孩子畢業讀研讀博有什麼建議？

陸朝陽：2021年，教育部首次設立了量子信息科學這一新興專業，目前我國已有十幾所高等院校開設了該專業。對於選擇該專業的學生，我首先建議的是要對這一領域有熱愛和興趣，因爲只有興趣才能激發持之以恆的毅力。隨着量子信息技術的發展，新入學的學生在進入實驗室後需要閱讀大量的文獻資料，瞭解之前積累的技術成果和發展歷程。這是一個需要長期積累的過程。

其次，學生需要選擇一個合適的研究課題。對於年輕學生來說，不宜一開始就挑戰如量子引力這樣複雜且全球衆多物理學家數十年都未能解決的問題。同時，也要避免選擇過於簡單、缺乏挑戰性的課題，因爲這將導致研究成果缺乏價值。學生應爲自己設定一些具有挑戰性，但通過努力可以達成的目標，並不斷提升自己的研究水平。

我認爲，研究生階段的一個良好狀態是，每過半年或一年，學生能夠意識到之前的自己“很蠢”。這種自我反思的過程意味着學生的認識水平在不斷提高。經過四到五年的學習，如果每年都能實現認知的翻倍，那麼到畢業時，學生的智慧將比入學時增長三十二倍，這樣的話我覺得就達到博士畢業的水平了。

目前，量子信息技術領域無論是在學術研究還是在技術應用方面，都有着廣闊的就業前景。因此，我建議學生不必過於擔憂，既然選擇了自己感興趣的領域，就應該勇敢地繼續前進。同時，學生需要爲自己設定合適的目標，通過不斷地努力和進步，實現這些目標。

關於世界量子日

世界量子日（網站：https://worldquantumday.org/）是由來自65多個國家的量子科學家發起的一項倡議，於2021年4月14日啓動，中國的量子科學家潘建偉和陸朝陽是這項倡議的發起人之一。4·14是普朗克常數用電子伏特表示的前三個數字，這是能量和時間的乘積，是支配量子物理的基本常數。