量子计算的成熟之路 | 袁岚峰

2024-01-12 12:01

本文为抖音知识节目专栏《知识星期肆》中，袁岚峰采访2012年诺贝尔物理学奖得主、法兰西公学院名誉教授塞尔日·阿罗什的内容

■ 视频链接

抖音：https://v.douyin.com/iLj9mGnC/

袁岚峰：抖音朋友们，大家好，我是中国科技大学袁岚峰。欢迎来到抖音知识节目专栏《知识星期肆》，抖音知识与世界顶尖科学家论坛联合推出《知识星期肆》顶尖科学家特别辑，邀请科学家和抖音创作者一起来聊前沿科学发展，搜索“知识前沿派对”可以查阅更多前沿科学精彩内容。很荣幸邀请到了2012年诺贝尔物理学奖得主，法兰西公学院名誉教授塞尔日·阿罗什，欢迎塞尔日·阿罗什。

塞尔日·阿罗什：大家好。

袁岚峰：阿罗什教授，很高兴见到您。首先，请允许我向大家介绍一下您的姓氏。

我知道您是法国人，在法语里字母“H”是不发音的，所以您的姓氏（读音）是阿罗什，不是哈罗什，对吗？

塞尔日·阿罗什：是的。

袁岚峰：法国有个著名的数学家，他的名字是哈马达。

塞尔日·阿罗什：应该是哈达马。

袁岚峰：哈达马。那他的名字应该是阿达马，而不是哈达马？

塞尔日·阿罗什：没错，类似的名字很多。比如Victor Hugo是维克多·雨果，而不是维克多·胡果。

袁岚峰：他是最有名的作家。在量子信息领域有个很有名的概念叫阿达马门，您和其他法国的前辈在量子信息领域做出了卓越的贡献。其实我学过一点法语，但现在我只记得一句了，就是Merci，谢谢。如果用法语给我们今天的会议做个开场，应该怎么说呢？

塞尔日·阿罗什：您是说怎么问好吗？Bonjour。

袁岚峰：Bonjour。

塞尔日·阿罗什：晚上的话我们说 Bonsoir。

袁岚峰：晚上好就是 Bonsoir，Bonjour是你好。

塞尔日·阿罗什：Bonjour，没错。

袁岚峰：您和瓦恩兰德教授获得诺贝尔奖的原因是突破性的实验方法，使我们能够测量与操纵单个量子体系。为什么测量和操纵单个量子系统，如此重要却又如此困难呢？

塞尔日·阿罗什：之所以重要是因为在我们的实验之前，大多数实验处理的都是大量粒子的体系。当你对大量粒子做实验时，量子效应可以说只是埋藏在统计中唯一能真正直接观察到量子逻辑的量子表现的方法，就是要处理单个粒子保护它们免受环境影响，再操纵和研究它们，之所以困难当然是因为它们太小了，你必须细致地了解它们是如何与光反应的。因为你要用光去操作和询问它们，把它们的速度降下来，所有这些的实现都是通过发展技术，它需要很长时间才能开花结果。还需要低温技术以实现低温以及各种各样的激光和计算机，所以你需要掌握所有这些才能做这种实验。

袁岚峰：所以非常困难，这区别就像是研究全国所有人的移动和某一个人的移动。

塞尔日·阿罗什：对，这个实验吸引人的地方还在于它是微观物理研究。我们一个小组的人通过桌面实验就可以完成，这和需要上千人参与的大型加速器实验完全不同。我更喜欢在小组工作，每个人都有明确的分工，还能和理论物理学家及实验物理学家共事。

袁岚峰：明白了，这么看来您的工作比粒子物理学家还要难。

塞尔日·阿罗什：是的，确实很不一样。

袁岚峰：谢谢。下一个问题是对于具有量子力学知识的人来说，研究单个量子系统似乎是顺理成章的，因为这是课本里的默认情况。但我真正读了您的诺贝尔获奖演讲时，我才发现您的实验方法出人意料的复杂与美妙，里面的关键点是对光子的非破坏性测量，也许很多人根本想都没想过可以对光子进行非破坏性的测量。

您在演讲中还提到了薛定谔，他认为对单粒子探测本质上是一种“尸体检查”性质的工作，例如气泡室中的粒子轨迹是在粒子消失之后留下的，这让我想起一位我的朋友“法医秦明”。他是一位著名的法医，写了很多关于通过尸检来破案的文学作品与影视，以一己之力让公众对法医这个职业产生了巨大的兴趣。但真正有趣的是您找了一种方法超越了薛定谔的言论，把“尸检”工作变成“活体”的工作，您是怎么做到的？

塞尔日·阿罗什：这涉及到很多方面。当然，在薛定谔说那句话的时候技术并没有现在成熟，他那时候没有激光，也没有高速计算机，我们需要所有这些技术才能在原子层面操纵物质，所以我认为这很好地诠释了科学是如何发挥作用的。实际上，激光和计算机的诞生都离不开对微观世界的研究，所以，正是由于在原子和光子方面的重大发现激光和计算机才得以诞生。

反过来，激光和计算机使我们可以操纵单个的粒子，这是个良性的循环，将基础科学和技术相连接共同发展。现在我们能做的是真正观测到单个粒子，确认薛定谔是错的，发现薛定谔那样说是不对的，用光子做这种实验更难，因为虽然捕捉和操纵单个原子很难，但对光子更是难上加难。但光子更是难上加难，因为光子是非常不可捉摸的，一旦与物质相互作用它们就会消失，要么是被吸收了，要么是被散射了，所以我们需要把它们保持在空间有良好定义的位置，用一个非常好的腔。

你还提到用非破坏性的方式进行检测的想法，这不是显而易见的。因为检测光子的基本方式一般就是毁灭它们，比如一个光子抵达了你的视网膜，它就变成了电流，或“某种”神经信号进入你的大脑，但光子本身已经死了，我们也找到了让光子在被检测到之后仍然存活的方法，这就是我们所说的“活体”物理学。跟你提到的“法医”物理学相对，我不喜欢这种观点，我希望粒子仍然存在，这样就可以观察到粒子之间相互作用时发生了什么神奇的现象，这就是现在人人都在谈论的量子信息领域的开端。

袁岚峰：真是太有趣了，您能证明量子力学奠基人的一些观点是错的。

塞尔日·阿罗什：不，实际上他们在他们预言的所有事情上都是对的。他们的错误只是在于，实际上他们没有预见到从他们了不起的思想有可能得到的所有进步，其实他们早就形成这些观点了。量子物理学诞生于1925年，那些概念和定律到今天仍然有效，我们所做的实验只是证明他们是对的，而非错的。我们证明错误的只是他们没有理解，他们没有梦想到我们能基于他们的思想创造出奇妙的工具。

袁岚峰：在我看来，最令人惊叹的是您确实找到了在“活体”物理学中实现这一点的方法。不得不提的是里德伯原子，您可以给大家介绍下里德伯原子的概念吗？还有非破坏性测量。

塞尔日·阿罗什：好的，可以。里德伯原子能够把一个电子提升到一个非常大的轨道，是一种巨原子，这种巨原子对量子物理学的诞生起到了重要作用。事实上考虑到这些原子的物理特性，尼尔斯·玻尔于1913年建立了第一个巨原子模型。他说只有一个电子在进行圆周运动，他量化了这个电子的角动量，就得到了所有的光谱。因此早在本世纪初，就有人预测称这些原子在理论上是存在的。

但过了大约60到70年后，才能在实验室里观测到它们，因为这需要激光，需要用激光将电子提升到一个大轨道，需要各种现代技术来研究这些原子。这些原子非常有趣，它们非常脆弱，非常敏感。因为电子离原子核非常远，任何微小的扰动都会产生影响，而我们之前提到的光子就造成了这种微小的扰动，使得这个系统可以被观测到。所以，这实际上是非常简单的物理学，你只需要进行粗略的计算就能明白实验时会发生什么，但是模型简单了，实验就复杂了，这是必须付出的代价。

事实上，这里有一种海森堡不确定性关系。如果你想做一个概念上来说非常简单的实验，实际操作时就会非常困难。

袁岚峰：您说还有另一种意义上的复杂性。

塞尔日·阿罗什：复杂性？

袁岚峰：不，二元性，不是玻尔的二象性而是您所说的二元性。当概念简单化的时候，实验就会复杂化。

塞尔日·阿罗什：没错，里德伯原子。

袁岚峰：里德伯原子非常有趣，因为我们学习原子物理的时候很早就知道它。我们常在化学中谈到1s、2s、2p这些轨道，里德伯原子是50s、51s之类的，确实有点疯狂。但利用这种巨原子，可以真正对光子进行非破坏性测量，太不可思议了。

塞尔日·阿罗什：是的。

袁岚峰：好的，下一个问题。设计出如此复杂而优美的实验方法的最终目的，是探索量子世界的奥秘。那么您有什么奇妙的发现呢？

塞尔日·阿罗什：正如我所说，事实上量子世界的定律非常奇怪，因为它们是反直觉的。但是量子物理学的创始人早已知晓这些定律的理论，其中之一就是叠加原理，即量子系统在你观察到它之前，可以同时处于不同的经典状态。举个例子，电子没有轨道，电子可以分布在波中，当你进行测量时，只是测量在某处找到它的概率，因此就有了这种对偶性。在测量之前粒子同时也是波，当你观察它时，它就变成了粒子，但这样一来也就失去了波的特性。所有这些都是玻尔、爱因斯坦、海森堡的原始模型中既有的，现在的进步是我们可以真正观察到它，我们可以利用这两种互补方式对系统进行观察，稍微改变一下实验装置，就能在实验中看到波的一面或粒子的一面，这可能会催生一些有趣的应用。因为你可以尝试利用叠加原理，来做一些经典系统做不到的事情。

袁岚峰：这对我来说太神奇了，您甚至可以看到量子系统变成经典系统的过程。

塞尔日·阿罗什：没错。

袁岚峰：所以，您的研究领域可以称为量子光学，也可以称为量子信息，因为量子信息的许多基本操作都可以通过您的方法来实现。实际上，我在量子信息领域做的科学传播是最多的，两年前我出版了一本书《量子信息简介》，您能否向大家介绍一下量子信息？

塞尔日·阿罗什：量子信息是一门正在全面发展的科学，它仍然是基础科学，但有朝一日可能会催生各种工具和应用，帮助人们利用这种量子逻辑来完成一些任务。比如你谈到了什么是量子计算机，计算机就像是一个由各种各样的门组成的庞大系统，每个门都是一个装置，而装置中的一个信息位控制着另一个信息位的演化方式。

经典计算机就像经典门一样，要么关闭，要么打开，而量子计算机则是一个能够同时打开和关闭的门，处于两者的叠加状态。这就为建立算法提供了新的可能性，即建立新的计算方法，利用这种叠加来提高计算效率，因此这是未来的一个宏大目标，但也是一个极具挑战性的目标。因为当你把大量粒子放在一起时，属性自然是偏向经典的，这些难以捉摸的量子特性非常脆弱，而且很快就会消失。

你之前提到我们做了一个实验来展示系统如何从量子演化为经典，这是一种被称为“退相干”的现象，它会迅速破坏量子特性，这是量子计算机的一个劲敌，因为你必须在非常大的范围内控制它。但这是引人入胜的物理学，我们在这个研究方向学到了很多东西，也许你还会发现其他应用和装置，它们将利用这些量子概念来做有用的事。

袁岚峰：是的。因此，每当我们提到量子计算，人们就会问它的用途，那么您会如何向公众回答这个问题呢？量子技术最大的影响是什么？它将如何改变我们的生活？

塞尔日·阿罗什：这个我真的不知道，这在很大程度上取决于未来发生的事。按照定义来说，科学不是不可预测的，如果你问薛定谔能不能观察到单个原子，他应该会觉得这很荒谬。所以，我现在同样可以回答你，我不知道会发生什么，我可以说的是，量子计算机不太可能比我们现在的笔记本电脑更有用。笔记本电脑无处不在，能做很多事情，而且一年比一年做得更好，因此，量子计算机越来越难以与之竞争。

如果尝试从我们现在正在做的事情做推断，量子计算机可能需要非常低的温度，大量的低温技术和科技，如果朝着这个方向发展，就意味着这台计算机将是一台大型机器，成为一种用于计算的设施，但我并不认为它是一种人人都会使用的笔记本电脑。也许我错了，但现在我是这么想的。

袁岚峰：分布式量子计算，类似这样的东西。

塞尔日·阿罗什：这并不会影响它的趣味性，它非常重要。这是一种会带来惊喜的物理学，但很多时候，惊喜并不在你预料之中，所以才是惊喜。

袁岚峰：下一个问题也是关于量子计算的。近年来，量子计算取得了巨大进步，我经常向公众介绍量子计算有很多技术路线图，比如超导、光学、离子阱、冷原子、拓扑材料、固体自旋、半导体量子点等，而超导和光学的进步是近年来最大的。例如谷歌的量子计算机悬铃木和中国科学技术大学，也是我的母校的“九章”。

您在诺贝尔演讲中也提到电路 QED（量子电动力学）方法与您的腔QED（量子电动力学）方法，在数学模型上是完全一样的，这让我想到为什么用腔量子电动力学来做量子计算的实验那么少，而用电路QED量子电动力学来做量子计算的实验那么多呢？在这么多量子计算的技术路线图中您认为哪一个或哪几个最有希望？量子计算离成熟还有多远，有哪些障碍需要克服？

塞尔日·阿罗什：先回答你关于腔量子电动力学和电路量子电动力学之间的差异问题。腔量子电动力学使用的是真正的原子，即与腔相互作用的里德伯原子，而里德伯原子是非常难以捉摸的。即使到最近，它们都很难被固定在某一特定位置。因此，在腔量子电动力学中原子一个接一个地穿过腔，在电路量子电动力学中你可以任意制造人造原子，并将其放置在指定位置，事实上使用的是光刻技术，和所有用于经典计算的技术，因此它具有优势，而且具有耦合性。

这些人造原子要大得多，因此它们与微波的耦合性更强，这样你可以更快地完成任务，但必须付出的代价是这些人造原子之间并不完全相同，因为它们是人造的，而真正的原子都是一样的，所以更简单。现在，腔量子电动力学可能会取得很大进展，因为我们已经学会了如何用专用的镊子一个一个地夹住原子，现在有一个发展非常快的领域叫做中性里德伯原子量子模拟。你可以真正把原子放在一个晶格上，激发它们进入里德伯状态。世界上有许多团队，包括我在巴黎的团队都在竞相研究这一领域，所以，也许原子现在会重新回到最前沿。

我知道一些研究超导量子比特的人已经开始担心这个问题了。因此。我认为很难做出预测。而有望建立量子模拟器的人选们甚至都没有提到量子计算机，量子模拟器只需要几百个原子，真正的人造原子即使只有这么有限的数量吗，也可以做一些非常有趣的物理实验，所以它仍然是有前景的，仍然正在取得很大进展。

袁岚峰：我听一些人说，由于量子计算的领域非常广大，这个领域的路线图很可能不止一个，因此每项技术都很有可能解决某些问题。

塞尔日·阿罗什：是的，有一个领域我们还完全没有提到，那就是量子计量学，也就是利用纠缠态来提高测量精度，例如原子钟的精度。原子钟在过去20年里迎来了巨大进步。

袁岚峰：是的。

塞尔日·阿罗什：这些时钟令人难以置信，它们控制时间的精度。如果你在宇宙之初启动两个时钟，现在它们之间的时间差是十分之一或二十分之一秒多，而它们甚至还没有使用纠缠。

袁岚峰：因此，仍有可能将这一误差大大缩小。在每年的莫比乌斯论坛上，科学家们都会齐聚一堂讨论与人类未来有关的科学蓝图。在量子技术领域，您认为明年最值得关注的关键问题是什么？

塞尔日·阿罗什：明年，你想得很远啊。我认为明年会在我们现有成就的基础上继续进步。如果你真的想建造一台成熟的量子计算机，最大的问题是如何克服退相干性，有一些程序使用所谓的纠错码，但这些纠错码原则上只适用于极少量的量子比特，而且仍处于起步阶段，它们无法在宏观维度上使用。我相信你一定在书中讨论过这个问题，因此需要一个突破，如果你想取得重大进展就必须有新发现，而这很难在明年实现，只能是一点进步。

我想说的是，科学的时间尺度不是媒体的时间尺度，也不是政治家和决策者的时间尺度，这是一个大问题。人们倾向于夸大宣传，假装自己在不久的将来就会取得突破，我认为这是个问题，因为这样会给人们带来一些希望，但结果可能适得其反。我认为必须谦虚谨慎、按部就班地开展研究，事实上，如果你问100年前的玻尔、爱因斯坦和薛定谔，他们正在做的事情会产生什么结果，他们肯定无法回答。然而，今天我们身边的所有技术,都源自那时，但这并不是一开始就能预测到的，我相信现阶段也是如此。

袁岚峰：是的，昨天您在墨子沙龙上发表了演讲，最后一个问题是您与陆朝阳教授讨论的，非常有趣，就是关于量子计算的大肆宣传。您谈到过度宣传量子计算是很危险的，我觉得这很有意思。真正的量子计算专家总是在说我们应该谨慎对待这种过度宣传，我很高兴看到您写的科普书《光的探索》。

塞尔日·阿罗什：没错。

袁岚峰：今天我应该会见到这本书的中文译者，您的学生吴海腾博士。

塞尔日·阿罗什：其实一小时前我在大厅见到了他，但他不知道您在等他。

袁岚峰：太遗憾了，希望下次还能见到他。

塞尔日·阿罗什：我当然不能对他的翻译妄加评论，因为我看不懂中文，但我知道他肯定翻得很好。

袁岚峰：是的，我可以说他完成了一项非常艰巨的任务，因为这本书中专业术语太多了。

塞尔日·阿罗什：有一件事让我很惊讶，这本书的中文版比法语版要薄得多。

袁岚峰：没错。

塞尔日·阿罗什：这说明它内容非常简练。

袁岚峰：是的，所以中文的信息密度非常高，非常感谢您和吴博士为科学传播做出的贡献。您是怎么想到要写这样一本书的？您对科学传播有什么想法？您在书的后记中说反科学的迹象始终存在，但现在随着反对真相和另类事实的兴起，反科学的危害也越来越大，我完全同意这一点。我对科学的兴趣很大程度上来自儒勒·凡尔纳的科幻小说。

塞尔日·阿罗什：我也是。

袁岚峰：大家都一样。

塞尔日·阿罗什：儒勒·凡尔纳。

袁岚峰：对。我真的很怀念那个时代，人们对科学充满了崇拜和好奇

塞尔日·阿罗什：是的，我一直梦想着能有时间写这样的书。因为我对历史也很着迷，不仅是科学史，还有通史。自十七世纪以来科学取得了长足的进步，从伽利略到现代物理学，科学的发展呈现出一种线性关系，这让我感到非常惊讶。这说明了人类的思维方式，它说明了好奇心的必要性，我们一开始被好奇心驱使，然后有了重大发现，最后才是实际的应用。

事实上，相对论和量子物理学都源于对光的质疑和困惑，当然，光是最值得探索的话题，因为我们从宇宙中获得的几乎所有信息都来自光。因此，光是一个神秘的信息源，我们开始越来越多地了解它，并由此产生了所有现代物理学。所以我想让普通读者清楚地了解这段历史，我不知道自己有没有做到，但我一生都被这种激情所驱使。

袁岚峰：至少对我来说是成功的，我非常喜欢这本书。

塞尔日·阿罗什：好的，谢谢。

袁岚峰：下面是一些轻松的问题。您的科研生涯可以说是顺风顺水，一路上有很多优秀的老师和朋友，比如您的博士生导师克洛德·科恩-塔诺季，他的博士生导师阿尔弗雷德·卡斯特勒，还有您的博士后导师阿瑟·肖洛，他们都是诺贝尔奖获得者。但我们知道，没有人能够永远一帆风顺，您是否经历过至暗时刻？您是否有过怀疑和犹豫？我希望您也能在这些方面与年轻人分享一些经验，鼓励一下他们。

塞尔日·阿罗什：实验物理学家确实会有不顺心的时候。我记得有一次因为液氮沸腾造成的压力，给我们的实验提供一半低温支持的低温恒温器爆裂了，发生了大爆炸，这让我们的实验倒退了一两年。当时我们和其他研究同一课题的人正在进行一场大型竞赛，所以那时真的很难过。

袁岚峰：但您和他成了朋友，您和瓦恩兰教授成了朋友。

塞尔日·阿罗什：是的，我们之间是友好竞争，我和其他同行也有竞争，但是不太一样，这种意外会使人灰心丧气。那么什么会让人振作呢？那就是完全不同的事情。首先，你需要团队协作，如果你能和一起工作的伙伴成为朋友，就可以拿正在发生的事情开玩笑，这种幽默感可以帮助克服困难。此外，我发现对我来说非常重要的一点是我不仅在做研究，同时还在教学，教学让我从日常的研究中脱离出来。通过教学可以清楚地解释自己想做的事情，对自己也有帮助，还能提供一些实验思路，所以我觉得需要在这些不同方面之间找到平衡。

我还想说，我不仅对物理学感兴趣，我喜欢读有关科学史的书。你提到了Jules Verne（儒勒·凡尔纳），我小时候很喜欢儒勒·凡尔纳的书，我还喜欢看天文学方面的书，这些书非常有用。我还喜欢绘画和音乐，所有这些都有助于平衡生活，我认为科学和艺术之间有着非常紧密的联系。今天上午，在世界顶尖科学家论坛上我有谈到，我们应该对各种创造性活动持开放态度，艺术创作与科学密切相关。

事实上，那些发生科学革命的伟大时期，也是艺术、文学和哲学大变革的伟大时期。想想意大利的文艺复兴，或20世纪20年代量子物理学在柏林起步的时候吧，那是一个充满艺术感召力和新思想的时期。像爱因斯坦、玻尔、海森堡这样的人都深受他们周围这种氛围的影响，而不仅仅是科学的影响。

袁岚峰：是的太不可思议了。实际上您已经谈到了下一个问题，下一个问题是，在诺贝尔奖网站上您的自传中可以看到您的家庭生活非常幸福，尤其是您与妻子克劳丁的故事非常浪漫。在这方面，您比许多伟大的科学家比如牛顿、爱因斯坦和哈密顿都要成功，人们常常感叹很难平衡生活和工作，但您似乎是个例外。

塞尔日·阿罗什：但我的成就无法与爱因斯坦或海森堡相比。如果你想在生活中找到平衡点，在科学方面或许就会逊色一些，但我的妻子确实一直在帮助我，我与她共同经历了很多，我的家庭生活对我的一生都非常重要。我有孩子，我的孩子也有了孩子，他们都长成了非常有趣的人，我对此感到非常高兴。

袁岚峰：是的，确实很有趣，能达到这种平衡。最后一个问题是关于法国和中国的。法国和中国都是著名的文明古国，在很多领域都有着密切的关系，您与中国科学家的合作多吗？您如何看待中国的科学和教育？您有什么建议？同样，您对法国的科学和教育有何评价和建议？最后，您有什么话要对中国人民说吗？

塞尔日·阿罗什：是的，你说得对，这是两个古老的文明。法国的高等教育体系，也就是高中毕业后，入学考试的竞争非常激烈，有人告诉我，举办这种综合考试的想法与中国古代官方推崇的教育非常相似。其实耶稣会士，也就是十八世纪访问中国的法国神父将这种综合考试的理念输出到了法国，拿破仑上台后将其引入了法国的考试制度，我们在这方面很相似。从现在的情况来看，我认为中国的一个优势是你们在科研方面投入了大量的精力，你们在科学领域投入的资金规模远远超过法国。也许我说得不对，你可以指出来。我认为中国的一个问题是，由于文化的原因，你们习惯于赋予年长者比年轻人更多的权力

袁岚峰：因为我们尊重年长者。

塞尔日·阿罗什：从科学角度来看，信任年轻人会更好。当然，还有我之前所说的科学与人文之间的联系。技术是好的，但仅有技术还不够，我认为必须有一个开放的系统。在这个系统中，艺术、社会学、人文科学和科学相互促进，这种相互影响非常有利于创造和发明。我希望中法两国都能这样做，这样才能潜移默化地帮助我们加强合作。今天上午我谈到了这一点，我对目前地缘政治局势的发展非常担忧，科学应该把人们团结在一起，而不是使他们彼此远离。

袁岚峰：非常感谢，谢谢。