量子时代势不可挡，量子计算机将改变高能物理研究的未来

一个多世纪以来，物理学家们一直在与量子力学作斗争。量子力学是一套支配原子和其他小型系统行为的规则，这些系统与人类相比非常小。事实上，甚至量子力学是关于什么的也不是那么明显。首先，因为如果一切都是由小的成分组成，那么一切都应该服从量子力学的规则。第二，有些大型系统，如超导体或超流体，虽然很大，但不可否认仍表现出量子行为。最后，有人可能会问：

让问题更加复杂的是，对于这些规则到底是什么，甚至没有一个真正的协议，更不用说它们最初从何而来。然而，有许多特征是绝对量子的，即在日常（经典）物体的属性中从未发现：

• 量子系统的可能状态是由一个叫做波函数的数学对象来描述的。薛定谔方程决定了波函数在空间和时间中的变化；
• 在进行测量之前，这些状态是叠加的；
• 当进行测量时，从所有可能的状态中选择一个状态；
• 每一种状态都与测量结果的概率相关联，它等于与这种状态相对应的波函数的平方值（玻恩定则）；
• 波函数的完整状态是不可复制的。

当将薛定谔方程应用于粒子对系统时，会产生一种被称为纠缠的现象，它被认为是量子系统的标志。其他令人着迷却又难以理解的特征是量子隧穿和无克隆定理。

事实上，没有人确切地知道为什么玻恩定则会存在。更令人费解的是纠缠的起源，一种可能的解释是，有关基本物体的信息与物体本身无关，而是在整个系统中传播，包括被观测的粒子、测量仪器、环境和观测者。必须记住两个关键词：因果关系和局部性。因果关系是指如果一个事件A引起另一个事件B，那么B必须总是跟着A。相反，局部性是指信息不能比真空中c的光速传播得更快，这是狭义相对论所禁止的，它阻止了所谓的超距作用。这两个定义看起来很相似，但实际上并非如此。局部性更基本，因为因果关系似乎是某种形式信息交换的结果。

问题的核心是，当两个粒子相互作用后，“飞走”并随后接受测量时，会发生什么。

假设每个粒子都有一个属性（如自旋、极化等），可以取二进制值，0或1或1或-1。用符号表示为：

一个由两个粒子组成的系统被表示为所有可能状态的总和：

然而，上述的相互作用引入了两个粒子属性之间的相关性，迫使系统处于相反状态的子集的叠加，例如：

在测量之前，系统处于多个状态的叠加。当对粒子a进行测量时，不仅显示其状态为：

但同时也给出了关于粒子b的信息。这是因为测量选出了两种状态组合中的一种，即：

概率由波恩定则决定。实验表明，这是瞬间发生的，但也表明不存在信息交换，因为我们不能强制粒子a的状态取某个值，但只在实验时观察它，不管它看上去是什么。

那么，粒子是否具有一种预先确定的状态是实验揭示的，还是测量本身创造的？如果前者是真的，那是什么机制决定了它们的状态呢？如果后者是正确的，那么，在不违反侠义相对论的前提下，粒子b是怎么知道粒子a的状态的？如果关于粒子b的信息也包含在粒子a和环境中呢？这看起来真的像是一个悖论，我们也不确定。这就是物理学家不同意的地方，有时甚至是非常不同意的。阿尔伯特·爱因斯坦是一位坚定的现实主义者，他从未接受哥本哈根的解释，并创造了一个著名的贬义词“幽灵般的超距作用”。

量子力学（QM）的意义

这种情况让专家们非常困惑，以至于在过去的一个世纪里出现了几种对该理论的解释。这不是我们第一次面对这样的情况，它已经发生在热力学和光的传播中了。对量子理论最流行的解释是哥本哈根解释（被认为是“量子正统学说”）、玻姆-德布罗意、多世界理论和QBism。一个简单的问题给出了主要的区别，量子力学到底是关于什么的？它是对现实的描述（现实主义）还是我们对现实的了解？多亏了约翰·斯图尔特·贝尔及其追随者的研究，实验物理学家有了概念性的工具来检验这些解释所做出的假设。

到目前为止，结论似乎是，量子力学要么是真实的但非局域的（玻姆-德布罗意），要么是非真实的（哥本哈根）但局域的。QBsim坚持认为，是否存在现实并不重要，量子力学只是我们知识的一种理论。其中一个理论逃脱了任何被验证的机会，即多世界理论，宇宙作为一个整体的叠加状态。每种解释都有优点和缺点，没有一种解释明显优于其他解释。

我个人偏爱玻姆-德布罗意的解释，这主要是因为它与我的一些先入之见相符，而不是因为它比其他的更可信，而且我完全不喜欢MWI，因为它对概率的不可靠定义。而且，我倾向于认为量子力学更多的是一种信息理论，而不是物理系统本身。

挖掘现实的基础

所有这些看起来都很吸引人，但问题仍然存在，这些奇怪的特性有什么用处吗？事实上，有无数的应用。最引人注目的一个可能是隧道：即在某些情况下，粒子可以通过在经典实相中无法逾越的势垒（想象一下用头撞墙）。大多数消费电子产品以二极管和晶体管的形式基于这种效应。然而，看起来我们仍然只是触及了可能性的表面。

如果科学技术的历史告诉我们什么的话，那就是当我们玩弄它们的时候，我们就能学到我们发现的东西。一个令人生畏的例子是热力学，它最初的提法可以追溯到18世纪晚期，但是当人们在20世纪早期还在争论原子的存在时，工程师们就已经开发并改进了蒸汽机和其他精巧的装置。不考虑热力学定律的解释，人类能够利用它创造出永远改变社会面貌的机器

麻省理工学院的物理学家赛斯·劳埃德曾经说过，事实上，宇宙正在计算某些东西。不是说它被设计成一台电脑，而是说它的行为就像一台电脑。让我举个例子：2 + 4 = 6。如果我现在问你，我知道x+y=6，那么x和y的值是多少？没有明确的答案，（1,5），（2,4），（3,3）都是可能的。这意味着加法运算减少了宇宙中信息的数量。类似地，一旦执行了测量，叠加的所有可能状态中只有一个会永远丢失。因此，在量子系统上进行测量减少了信息。

你可能已经知道我想说什么，我们可以用量子态来进行计算。这就是量子计算的本质。事实上，量子计算用量子等价物“qbit”取代了人们熟悉的信息单位（bit）。根据定义，qbit是0和1的叠加。两个量子比特可以通过量子门纠缠和操纵。它的美妙之处在于，量子系统能够做经典系统不可能做的事情，允许我们设计出特定于量子领域的算法。在我们继续之前，让我们先弄清楚一点，可以有基于量子现象的计算设备如退火，或者是基于量子门对量子比特的操纵。后者通常被称为通用量子计算机或量子图灵机。

• 量子计算机可以解决难题，比如大数的因式分解。

在量子计算中，一些基本的门构成了更复杂算法的基础。这些都是:

X门，翻转qbit：

阿达玛门，在两个量子位元之间产生纠缠：

相位门，旋转波函数的相位：

控制非（CNOT）门：

在某些情况下，涉及超过2个量子比特的算法可以被分解成更简单的二进制运算，也就是上面列出的二进制运算的组合（张量网络）。

量子计算机

我们为什么需要量子计算机？因为它们可以解决难题（但不一定是NP难题，NP问题，我专门写过文章介绍）。

研究主要有两种途径，一种是研究算法的发展，另一种是研究能够运行这些算法的硬件的构建。这两个领域的发展都非常迅速，创新和一些突破以指数级的速度发生。

首先，我们来谈谈硬件。有两类设备，一类是基于量子等效退火，另一类是利用其他现象来处理量子比特的状态。

量子退火比较容易理解。一组原子可以设定在某一状态，然后让它向能量最小的方向演化。想象一个有山谷和山峰，我们的目标是找到最深的山谷。量子系统的独特之处在于隧穿，也就是说，系统可以在不需要克服能量障碍的情况下降到最低。这种方法对普遍存在的优化问题特别有效。问题在于，只有能用伊辛模型的哈密顿函数来表述的问题，目前才能在这类机器上解决。事实上，这个过程被重复了很多次，所有已经找到的极小值的最小值被作为真实全局最小值的最佳猜测，但如果一开始就有，就不能保证总能找到。有些人觉得这有点作弊，因为这样的机器不是通用的量子计算机，不允许实现量子算法。

另一大类量子计算机是基于噪声中等规模量子（NISQ）技术的。这些机器仍然不是“完全量子的”，但已经为用户提供了几十个量子比特。不幸的是，由于热激励产生的噪声限制了可执行的电路数量。有一件事是肯定的，一台100量子位元的电脑不会在一夜之间改变世界。至于量子比特本身，它们以不同的方式实现。

不同的公司根据可行性、可靠性、噪声容忍度、成本等方面决定采用不同的技术。例如，IBM和Rigetti使用超导环，英特尔部署量子点，微软决定使用拓扑量子位。

• 量子计算呈指数级发展。

得益于量子力学的独特特性，量子计算机可以解决在经典系统上不可能或实际上不可行的问题。

第一个令人震惊的应用是用肖尔的算法分解一个整数的因数。大多数常见的密码算法都是基于对一个2000位数的数字进行因式分解的实际不可能，这意味着需要花上整个宇宙的年龄才能尝试所有可能的组合，直到找到一个解决方案。另一方面，量子系统的行为与传统算法不同，它提供了其他途径来获得答案，这是经典算法不可能做到的，比如肖尔算法中使用的方法。任何算法的复杂性都可以用执行计算所需的操作次数来表示。例如，扫描一个数组来查找最大值需要N次操作，其中N是元素的个数。由所谓的戈弗算法执行的量子计算，将操作次数降低到根号N，当N非常大时，这是一个巨大的加速。在经典计算机上的操作需要 N^2, N^3……次，但在量子计算机上需要的操作次数是NlogN，N²logN ……。这个特性被称为指数加速。

欧洲核子研究中心的量子计算

通常，巨大的挑战会将技术推向边缘。最著名的例子当然是人类登陆月球并安全返回地球的探索。它花了不到十年的努力便实现。现在的情况是，谷歌正在挑战大型机构（如美国国家航空航天局和欧洲核子研究中心），以证明他们所谓的量子霸权。从字面上讲，他们想要证明量子系统可以超过经典的超级计算机，至少在一些明确的领域。当然，并不是每个人都同意，主要的反对意见是，与经典机器相比，量子设备非常容易受到热波动的影响，这个问题可能永远无法完全克服。

2018年11月，欧洲核子研究委员会开放实验室主办了一个研讨会，讨论在高能物理中部署量子计算技术的可能性。这次活动为学术界和私营部门的工作人员提供了一个机会，让他们聚在一起讨论未来的细节。不用说，重大突破很难预测，事实上随时都可能发生。目前主要的应用似乎是应用于优化问题，训练量子神经网络，跟踪和检测器仿真和量子场论计算。

• 欧洲核子研究中心的主礼堂坐满了人，聆听IBM、谷歌、英特尔、微软、Rigetti等公司的演讲。

结论

我们正在见证量子计算机的到来。虽然它的影响目前几乎不存在，但从长远来看，没有理由忽视这些技术。任何正在进行项目的组织，如果项目的时间跨度超过10年或更长，都应该在为时已晚之前开始注意，避免重蹈覆辙。

我的看法是，在不久的将来，我们会经常使用混合系统，其中大部分工作仍然由普通的CPU完成，但专用的任务由低功耗大规模并行系统（GPU）或量子系统（QPU）执行。