對話嘉賓：

Seth Lloyd：美國麻省理工學院（MIT）量子力學工程教授，目前與不同團隊合作構建并運行量子計算機、量子通訊系統。

主持人：首先我們先討論一些量子力學的基礎內容，給本次主題奠定基調。盡管量子計算我們已耳熟能詳，但只要你并不從事這領域，就算聽過幾百遍，還是會覺得很怪異，甚至聽過即忘。所以，我們從基礎談起，才能真正明白這一領域如何實現它對世人的許諾。

01

雙縫實驗

主持人：理查德·費曼有一句名言：“自然不符合經典物理學，如果你想要模仿自然，你最好從量子力學入手?！彼?，這句話成為了后來的科學家致力于將量子力學放入計算機架構中的動機。讓我們從下面一個實驗講起，請介紹一下具體內容。

▲理查德·費曼

Seth Lloyd：我們使用一把電子束槍，對著一面有兩條狹長縫隙的不透明板發射經典粒子，粒子通過縫隙，抵達后面的屏幕上，然后你就會看到后面屏幕上的粒子圖案。

主持人：所以，我們憑直覺來講，如果換成大一點的子彈或者BB彈，那屏幕上會出現和雙縫一樣的圖案。我們習慣按照對日常生活世界的理解來推斷我們無法直接生存的微觀領域。那如果是微觀粒子，會發生什么呢？

Seth Lloyd：我們的直覺從小嬰兒時期就已經形成，所以我們可能會覺得應該還是一樣的，后面屏幕上也是兩條雙縫，只是粒子更小些而已。

主持人：但神奇的事情發生了，也正是費曼觀察到該實驗捕捉到了一個怪異的關鍵點。

Seth Lloyd ：對，你會發現非常怪異的現象。后面的屏幕上不僅出現了雙縫長條圖案，實際上還出現了更多長條圖案。而且，多出來的圖案并沒有和電子束槍、縫隙保持在同一直線上，這就是著名的雙縫干涉實驗。

02

波粒二象性

主持人：根據經典物理直覺，這純屬意外，而且在科學史上這是美國新澤西州貝爾實驗室發現的結果。那是20世紀20年代中期左右，當時數據開始揭示了這樣的現象，而理論物理學家受到另一與原子光譜相關的怪異實驗結果所啟發，開始引入一套新概念來描述粒子：波的概念。而波的關鍵性質在于兩種波重疊，會產生一些符合直覺的現象，但同時也會與這種不符合直覺的現象相關。比如中央公園湖面的兩列水波，您能解釋一下波重疊之時發生了什么嗎？

Seth Lloyd：兩列水波相互疊加，波峰與波峰疊加，產生正干涉，而波峰與波谷疊加，則產生負干涉，兩列波谷疊加，負干涉就更加強烈，最終就會得到這樣的干涉圖案。只要往湖里投擲石頭，就能看到這樣的現象。

主持人：要解釋雙縫干涉實驗的奇怪數據，就需要引入波的概念了。

Seth Lloyd：對，如果向著雙縫發射波，波同時通過雙縫，可以推斷它們抵達后面屏幕上的位置，例如波峰與波谷重疊的地方那里什么也沒有。又或者波峰與波峰重疊，波更強烈。最終你就會看到干涉圖案，也就波投射在屏幕上的圖案。

主持人：所以，我們在屏幕上看到的波可以被視作如同水波一般，所以我們現在要用波來描述粒子，你該怎么做呢？這時就要引入另一怪異思路：概率。在量子力學應用中，我們該如何看到這些波？

▲ 雙縫干涉實驗

Seth Lloyd：粒子是波，與波相關，這一概念，或者反過來說也成立：波由粒子組成，也就是眾所周之的波粒二象性，早在一個多世紀之前就被發現了，甚至在薛定諤方程出現之前。薛定諤的偉大發現，以及海森堡以不同形式做出的一定貢獻，表明了波以特定方式傳播，并且用方程描述出來，具體來說，描述了諸如電子這樣的微觀粒子如何遵循這樣的波進行運動。

主持人：當我們觀察這些波，并且引用馬克思·玻恩的闡釋，把這些波看作相似性，看作概率，波動大的地方就是粒子落在某一位置的概率很高，而波動小的地方就是概率低的位置。那么，中央公園湖泊中的水波干涉圖案在這個實驗中可以被重新闡釋為同樣的內容：粒子大概率落下的位置就是波動大的地方，最終形成長條，而當波谷與波峰重疊，兩相抵消，粒子落到這里的概率就是零。那么，這與我們對現實的理解有什么關系呢？

Seth Lloyd：現實、量子力學和人類大腦三者永遠存在分岐，也不很清楚到底哪一方錯了。我推斷出錯的是人類大腦，因為我們人類的直覺并不是為此而設。

主持人：同意，人類大腦經過漫長演化，目的是讓我們活下去，要在非洲大草原上獲得下一餐，我們不需要去知道微觀世界的本質。所以，微觀世界的現象很反直覺，但這看上去又是世界原本的樣子。

Seth Lloyd：所有人發現量子力學很反直覺，愛因斯坦因為量子力學中的光電效應獲得了諾貝爾獎，但他也認為這很反直覺，乃至他自己都不相信量子力學，因為如果你是愛因斯坦，你肯定會相信自己的直覺。

主持人：是的，關于他直覺的許多方面我們現在知道有誤導性，他是杰出的天才，但也是值得研究的案例，作為一名思想深刻的學者，比任何人都深入現實本質，卻因為本身的偏見走錯了方向。

Seth Lloyd：完全正確，我自己的直覺往往都是錯的，所以我不在乎自己的直覺，直接接納了量子力學，波粒二象性，就是如此。

03

量子計算的基礎

主持人：我們已經都習慣了這些奇奇怪怪的觀點，你是否將它們視作一種算法，覺得有用就行？還是覺得這就是對現實的準確描述？

Seth Lloyd：如果你去往國外生活，你會發現許多事情都怪異，又反直覺。但后來你學了當地的生活規范和法則，書面和非書面形式的，如果你想成事，就得把自己的直覺撂一邊，照著做就行了。所以我和我的同事們會說，雖然聽上去很奇怪，但我們知道運行機制，知道背后的數學算法，我們能夠相信自己對數學的直覺，做實驗，然后就成了。經過幾十年的研究我們已經從理論層面理解量子力學，大概是上世紀90年代我們還在MIT的時候，開始制造出第一版最簡單的量子計算機，屬于量子工業時代的計算機設備，直至今日，學界取得了巨大進展。

主持人：此處我還想提及另一個基礎知識，當概率波擊向探測屏幕，它不是直接形成完整的長條，而是由一個又一個點堆積成形，因為當探測器與波發生相互作用的時候，其中發生了一些事情，是之后實現應用的一個關鍵。

Seth Lloyd：是的，如果你開始降低粒子束的強度，因為現在屏幕上的波強度高，所以波不斷疊加，但當你降低強度，比如只有一個粒子，這個粒子所對應的波同時穿過雙縫，這里就是量子力學里面說的同時出現在兩個地方，一個電子為1，一個為0，1與0同時存在，稱為量子比特，即便到了一個粒子的水平，你會發現粒子會出現后面的屏幕上會出現一個隨機的點，但這個隨機點只出現在先前條狀圖案存在的范圍內。隨著粒子數量的增加，你獲得的就是隨機點在屏幕上分布的概率。

主持人：簡單總結一下，概率波所描述的粒子動力學強調了現實會同時“擁抱”許多狀態，就像您剛才敘述的，單個粒子以量子力學的方式同時穿過兩個縫隙。而且這些新形式的概率與賭博概率的差異在于前者能夠相互抵消，它們不只是大于零的正數。

Seth Lloyd：對，因為波的幅值有正有負，雖然聽上去怪，但確實有負概率。如果你賦予所有可能事件概率，就會出現量子力學中另一個耳熟能詳的原理：不確定性原理，一個粒子的位置和動量不可同時被確定。如果你想要同時確定位置和動量的概率，你會發現通常情況下概率為負。但你測量一個粒子出現在屏幕上某一位置的概率，這個概率永遠為正。

04

粒子自旋

主持人：對于那些喜歡技術術語的人，這就是波的振幅概率VS作為數學結構的概率。量子波發生干涉，導致概率忽正忽負，成為零，最后我們得出接論：當進行測量或者波抵達探測屏幕產生了相互作用，描述粒子的概率范圍就會“塌縮”。

我們想要接近今天討論的量子計算機話題，想要給出具體實例，想要以喚起的物理方式實現出來，剛才您也提到，走向右邊可以算作1，走向另一邊則算作0，能看到一種二進制的數字出現。

此處，我們還需要提及另一個背景知識：粒子自旋。這一術語不僅出現在量子計算中，在量子力學課程中也能聽到，您能否講述一下。首先從量子自旋的概念說起，“自旋”這個詞我們能夠憑直覺大概理解，但請揭示了一下粒子版本的自旋是怎么回事兒，我們可以簡單想象成一個自身不斷旋轉的粒子嗎？

Seth Lloyd：可以，例如電子自旋，我們用單手握住，如果拇指向上，就是上旋，拇指向下，就是下旋，箭頭的方向與拇指方向一致。我平時解釋的時候，就是左右手上下不停翻轉，好像放煙花一樣。

還可以想象成不停旋轉的籃球，但粒子自旋有一個特點，就是能同時上旋和下旋。我們很難可視化出來，因為你一瞬間永遠只能看到一個方向，但實際上粒子在每一瞬間同時有兩個方向。在它與某一測量儀器發生相互作用之前，例如斯特恩-蓋拉赫實驗裝置，如果電子通過磁場，它這么向上走，就是上旋，它向下走就是下旋。這樣一來，當你測量它出現在屏幕上的位置，你是在關聯或者揭露位置和自旋糾纏的事物，直到你讓它與環境發生相互作用。否則根據量子力學，上旋和下旋同時發生。

05

經典計算機VS量子計算機

主持人：現在我們進入實際應用層面比較一下，經典計算機和量子計算機，都是0和1，前者是比特，后者是量子比特，那能否講述一下我們如何區分兩者呢？

Seth Lloyd：在經典計算中，比特是基本計算單位，用以區分概率，頭尾或者真假，用計算機專業術語就是0和1。另外比特也指代計算機、手機、以及其他超級計算機中微小晶體管的開關狀態。進入量子領域之后，同時處于0和1兩個狀態的就是量子比特。在我們剛開始構建量子計算機模型的時候，我意識到任何量子自由度都可行，可以稱上旋為0，下旋為1，根據量子力學，也允許兩種狀態同時存在。回到1985年，量子計算領域的開創者，英國物理學家大衛·多伊奇（David Deutsch）就提出了一個問題，想象一下我們有一臺數碼計算機，以量子比特運行計算，它能做什么呢？

主持人：說到運算，我們可以說經典計算能完成這個運算，或者完成那個運算，那么對于量子計算機，我們是否可以說它能同時完成這個以及那個運算呢？

Seth Lloyd：說得好！我們看看經典計算怎么運行的，比如一張圖片由一個個像素組成，每一個像素包含32比特的信息，然后處理這些信息，就好像最新的人工智能程序，將信息打碎成比特信息，然后快速地以系統方式進行翻轉。

而量子計算機也同樣如此，但使用的是量子比特，你在同時上旋和下旋的電子或者同時出現在兩個位置的光子中存儲量子比特，比特可以視作給出指令：0就是告訴量子計算機去執行2+2，1讓量子計算機去執行3+1，但如果換成0和1 同時存在的量子比特，量子計算機就會以奇異的量子形式同時執行2+2和3+1，這點非常反直覺。

主持人：這就涉及了在同一時間完成許多運行的強大算力，一個比特或者量子比特可能無法做到里程碑式的運算，但我們一旦擴大規模，如果變成兩個量子比特，那么在一個量子計算機中可以同時實現四種運算的概率，而經典計算機只能實現四種運算之一。隨著量子比特數量的增加，比如達到20個量子比特，你都列不完可同時運行的數量了。如果我們列一張表隊對比一下隨著比特或者量子比特數量的增長，經典計算機和量子計算機的運算次數，后者將呈指數級的增長。

Seth Lloyd：是的，如果你有一臺量子計算機，里面有300個量子比特，那么計算機能探索的概率就會超過可觀測到的全宇宙基本粒子數量。

06

量子計算機的現狀

主持人：這就是一種廣為流傳的說法的源頭，即量子計算機能夠呈指數級因子增加所有計算，但如果我們深入探討的話，這樣的說法可能有一定誤導性，因為如果讓量子計算機執行某一特定任務，它會執行產生所有可能結果的計算，那么你最后怎么選從眾多并行計算所得的出眾多結果選擇出那一個你想要的結果呢？

Seth Lloyd：實際上，多伊奇最初建議使用量子計算機進行量子并行計算，我們能夠搜索所有可能的解決方案，來完成高難度問題。你讓量子計算機獨自運行，讓量子比特完成它們所想要完成的計算，而一旦進行測量，它們必須明確告訴你是0或者1，算力就喪失了。所以，你設定好所有的量子并行計算，然后測量你得到的結果，完全隨機的結果，并不是非常有用。

主持人：所以目標是利用量子力學中固有的概率特性，以及有趣的干涉效應，取用各種各樣的波，以及各種概率，然后以某種方式組合起來，最終組合出來的波并不是隨機的所有概率，而是越來越接近某一特定答案。所以，如果你足夠聰明地構建量子算法，即便并不知道答案是什么，我們最終能看到所有量子波構建出來的唯一答案正是你所尋找的答案。這難度也太大了。

Seth Lloyd：說得真好，我聽著都覺得不可能。但干涉在雙縫實驗中非常重要。而在量子計算機中，如果有300個量子比特，就會有無數的波，上下振蕩，你希望它們以正確地方式相互干涉，就像創造和聲。經典計算機有點兒像格里高利圣詠，你唱一個音，我唱另一個音，形成和諧的和弦。這是一種特殊的感覺和音質，能夠被立刻識別出來，但這些不是音本身的屬性，而是兩者干涉的結果。經典計算機一次只做一件事，而量子計算機則像交響樂，而且比瓦格納所譜寫出的所有交響樂都復雜。

主持人：因此，我們的目標就是讓這首“交響樂”以各種方式發生干涉，正如在雙縫實驗中，粒子以非常特殊的方式干涉，挑選出可能降落的位置。但在量子計算機中，在眾多量子比特的所有可能結果中，您想要以某種方式選擇出其中一些波進行干涉，并抑制大多數你并不關心、甚至不感興趣的答案，最終帶來你真正想要的四個，甚至一個答案。

Seth Lloyd：說得沒錯。你必須考慮所有這些不同的可能性，這些可能性以量子力學的方式同時存在，你需要疊加起來，最終得到問題的答案，執行難度確實很大。

主持人：我們已經開發出多少種量子算法來獲得答案呢？

Seth Lloyd：1994 年，計算機科學家彼得·秀爾（Peter Shor）展示了使用量子計算機執行量子質因數分解算法，破解公鑰加密。另一個主要算法是搜索：格羅弗算法則使用波干涉。實際上，格羅弗的靈感來自相控陣雷達，其中波相互疊加，以檢測物體的位置。而這種相控陣雷達的量子版本便是格羅弗算法，它可以增強你對事物的檢測和成像的準確性，這是一個相當大的進步。

▲彼得·秀爾

然后第三個是我開發的算法，受到了就是開始提到的費曼名言，展示了如何利用量子計算機來模擬其他量子系統，包括基本粒子定律，甚至弦理論。

主持人：您能否直觀地告訴我們，什么樣的問題可以用量子算法來解決，才能充分發揮量子計算機的潛力？

Seth Lloyd：我們一直在尋找新算法。2008 年，我的同事阿拉姆·哈羅（Arum Harrow）和我 意識到可以利用這種描述波和波動方程解的數學：向量代數。其中包括數字集合、數字矩陣，你可以使用乘法法則，然后簡化你的方程。海森堡方程就是通過數定律來表達。我們意識到量子計算機的可行性是因為物理波、量子力學波和數學之間存在這種聯系。你可以用它來解決所有這些涉及線性代數的問題。

這實際上變得非常有用，因為在 2008 年，我們還沒有深度學習或者機器學習，更不用說大語言模型。但機器學習、人工處理信息所涉及的數學原理，實際上就是通過線性代數問題來表達?，F在，我們實際上擁有大量可能的應用，如果我們能夠構建量子計算機，即便是中等規模的量子計算機，只要有幾千個量子比特，那么我們實際上就可以解決一系列各種有用的社會問題。

主持人：我們聽到過一種比較強硬的說法：量子計算機將讓經典計算機成為歷史。一切都將歸入量子方法。這種說法有多準確或多誤導人？您如何評價？

Seth Lloyd：我不認為人們很快就能在量子計算機上運行微軟的word程序，這對量子計算機來說是浪費資源。實際上，優化問題仍難以解決，因為你無法一次搜索所有這些可能的解決方案，你需要將注意力限制在可以使用這種正干擾將波組合在一起的解決方案上。對于量子機器學習、量子人工智能等而言，這是一個非常大的問題。因此，它可能有很多應用，但它不會改變一切。但我們目前還需要討論噪聲和誤差問題以及量子系統的敏感性。必須能夠克服這些問題。我們正處于兩難時期，看起來勝負各半。我們可能制造出大型量子計算機，也可能造不出來。如果成功的話，那將真得很有用。但我個人持樂觀態度。

主持人：最后一個問題，我認為這實際上只是直覺而已。如果要您說出實現量子計算機全部潛力的時間尺度，您認為是 5 年、2 年、還是 100 年，或者現在還很難說？

Seth Lloyd：我盡量不做技術預測，但我認為人們正在非常努力地工作，知名公司和政府正在非常努力地工作，這是一條艱難的道路。我非常不確定，我說，10 年左右或永遠不會，或者5 年左右或永遠不會。

主持人：所以盡管理論上可行，但實際上我們可能永遠無法實現？

Seth Lloyd：公平地說，量子信息和量子信息處理是一個比僅僅建造量子計算機更廣闊的領域。如果你研究傳感、成像和精密測量等問題，通過光探測世界來獲取這些量子態，然后進行處理。量子信息處理允許更精確地完成測量，例如，戴維·瓦恩蘭（David J. Wineland）的光頻量子鐘，他也因此獲得了2012年諾貝爾獎，被稱為量子邏輯、量子鐘、原子鐘，因為它利用不同自旋和量子鐘碎片之間的糾纏來測量時間，其精度比人們以前測量的精度高出數十億倍。

對于傳感和成像也是如此，也許可以制造出類似量子磁力計的設備，以更準確地測量大腦中的磁場，這樣你就可以獲得精準圖像。甚至創作一部四維電影……我的同事米歇爾·賴利現在就在觀眾席上，我們正在研究這個問題。所以這些應用實際上已經存在了，也將繼續存在。

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