量子计算：炒作还是现实？

主持人：根据经典物理直觉，这纯属意外，而且在科学史上这是美国新泽西州贝尔实验室发现的结果。那是20世纪20年代中期左右，当时数据开始揭示了这样的现象，而理论物理学家受到另一与原子光谱相关的怪异实验结果所启发，开始引入一套新概念来描述粒子：波的概念。而波的关键性质在于两种波重叠，会产生一些符合直觉的现象，但同时也会与这种不符合直觉的现象相关。比如中央公园湖面的两列水波，您能解释一下波重叠之时发生了什么吗？

Seth Lloyd：两列水波相互叠加，波峰与波峰叠加，产生正干涉，而波峰与波谷叠加，则产生负干涉，两列波谷叠加，负干涉就更加强烈，最终就会得到这样的干涉图案。只要往湖里投掷石头，就能看到这样的现象。

主持人：要解释双缝干涉实验的奇怪数据，就需要引入波的概念了。

Seth Lloyd：对，如果向着双缝发射波，波同时通过双缝，可以推断它们抵达后面屏幕上的位置，例如波峰与波谷重叠的地方那里什么也没有。又或者波峰与波峰重叠，波更强烈。最终你就会看到干涉图案，也就波投射在屏幕上的图案。

主持人：所以，我们在屏幕上看到的波可以被视作如同水波一般，所以我们现在要用波来描述粒子，你该怎么做呢？这时就要引入另一怪异思路：概率。在量子力学应用中，我们该如何看到这些波？

Seth Lloyd：粒子是波，与波相关，这一概念，或者反过来说也成立：波由粒子组成，也就是众所周之的波粒二象性，早在一个多世纪之前就被发现了，甚至在薛定谔方程出现之前。薛定谔的伟大发现，以及海森堡以不同形式做出的一定贡献，表明了波以特定方式传播，并且用方程描述出来，具体来说，描述了诸如电子这样的微观粒子如何遵循这样的波进行运动。

主持人：当我们观察这些波，并且引用马克思·玻恩的阐释，把这些波看作相似性，看作概率，波动大的地方就是粒子落在某一位置的概率很高，而波动小的地方就是概率低的位置。那么，中央公园湖泊中的水波干涉图案在这个实验中可以被重新阐释为同样的内容：粒子大概率落下的位置就是波动大的地方，最终形成长条，而当波谷与波峰重叠，两相抵消，粒子落到这里的概率就是零。那么，这与我们对现实的理解有什么关系呢？

Seth Lloyd：现实、量子力学和人类大脑三者永远存在分岐，也不很清楚到底哪一方错了。我推断出错的是人类大脑，因为我们人类的直觉并不是为此而设。

主持人：同意，人类大脑经过漫长演化，目的是让我们活下去，要在非洲大草原上获得下一餐，我们不需要去知道微观世界的本质。所以，微观世界的现象很反直觉，但这看上去又是世界原本的样子。

Seth Lloyd：所有人发现量子力学很反直觉，爱因斯坦因为量子力学中的光电效应获得了诺贝尔奖，但他也认为这很反直觉，乃至他自己都不相信量子力学，因为如果你是爱因斯坦，你肯定会相信自己的直觉。

主持人：是的，关于他直觉的许多方面我们现在知道有误导性，他是杰出的天才，但也是值得研究的案例，作为一名思想深刻的学者，比任何人都深入现实本质，却因为本身的偏见走错了方向。

Seth Lloyd：完全正确，我自己的直觉往往都是错的，所以我不在乎自己的直觉，直接接纳了量子力学，波粒二象性，就是如此。

主持人：我们已经都习惯了这些奇奇怪怪的观点，你是否将它们视作一种算法，觉得有用就行？还是觉得这就是对现实的准确描述？

Seth Lloyd：如果你去往国外生活，你会发现许多事情都怪异，又反直觉。但后来你学了当地的生活规范和法则，书面和非书面形式的，如果你想成事，就得把自己的直觉撂一边，照着做就行了。所以我和我的同事们会说，虽然听上去很奇怪，但我们知道运行机制，知道背后的数学算法，我们能够相信自己对数学的直觉，做实验，然后就成了。经过几十年的研究我们已经从理论层面理解量子力学，大概是上世纪90年代我们还在MIT的时候，开始制造出第一版最简单的量子计算机，属于量子工业时代的计算机设备，直至今日，学界取得了巨大进展。

主持人：此处我还想提及另一个基础知识，当概率波击向探测屏幕，它不是直接形成完整的长条，而是由一个又一个点堆积成形，因为当探测器与波发生相互作用的时候，其中发生了一些事情，是之后实现应用的一个关键。

Seth Lloyd：是的，如果你开始降低粒子束的强度，因为现在屏幕上的波强度高，所以波不断叠加，但当你降低强度，比如只有一个粒子，这个粒子所对应的波同时穿过双缝，这里就是量子力学里面说的同时出现在两个地方，一个电子为1，一个为0，1与0同时存在，称为量子比特，即便到了一个粒子的水平，你会发现粒子会出现后面的屏幕上会出现一个随机的点，但这个随机点只出现在先前条状图案存在的范围内。随着粒子数量的增加，你获得的就是随机点在屏幕上分布的概率。

主持人：简单总结一下，概率波所描述的粒子动力学强调了现实会同时“拥抱”许多状态，就像您刚才叙述的，单个粒子以量子力学的方式同时穿过两个缝隙。而且这些新形式的概率与赌博概率的差异在于前者能够相互抵消，它们不只是大于零的正数。

Seth Lloyd：对，因为波的幅值有正有负，虽然听上去怪，但确实有负概率。如果你赋予所有可能事件概率，就会出现量子力学中另一个耳熟能详的原理：不确定性原理，一个粒子的位置和动量不可同时被确定。如果你想要同时确定位置和动量的概率，你会发现通常情况下概率为负。但你测量一个粒子出现在屏幕上某一位置的概率，这个概率永远为正。

主持人：对于那些喜欢技术术语的人，这就是波的振幅概率VS作为数学结构的概率。量子波发生干涉，导致概率忽正忽负，成为零，最后我们得出接论：当进行测量或者波抵达探测屏幕产生了相互作用，描述粒子的概率范围就会“塌缩”。

我们想要接近今天讨论的量子计算机话题，想要给出具体实例，想要以唤起的物理方式实现出来，刚才您也提到，走向右边可以算作1，走向另一边则算作0，能看到一种二进制的数字出现。

此处，我们还需要提及另一个背景知识：粒子自旋。这一术语不仅出现在量子计算中，在量子力学课程中也能听到，您能否讲述一下。首先从量子自旋的概念说起，“自旋”这个词我们能够凭直觉大概理解，但请揭示了一下粒子版本的自旋是怎么回事儿，我们可以简单想象成一个自身不断旋转的粒子吗？

Seth Lloyd：可以，例如电子自旋，我们用单手握住，如果拇指向上，就是上旋，拇指向下，就是下旋，箭头的方向与拇指方向一致。我平时解释的时候，就是左右手上下不停翻转，好像放烟花一样。

还可以想象成不停旋转的篮球，但粒子自旋有一个特点，就是能同时上旋和下旋。我们很难可视化出来，因为你一瞬间永远只能看到一个方向，但实际上粒子在每一瞬间同时有两个方向。在它与某一测量仪器发生相互作用之前，例如斯特恩-盖拉赫实验装置，如果电子通过磁场，它这么向上走，就是上旋，它向下走就是下旋。这样一来，当你测量它出现在屏幕上的位置，你是在关联或者揭露位置和自旋纠缠的事物，直到你让它与环境发生相互作用。否则根据量子力学，上旋和下旋同时发生。

主持人：现在我们进入实际应用层面比较一下，经典计算机和量子计算机，都是0和1，前者是比特，后者是量子比特，那能否讲述一下我们如何区分两者呢？

Seth Lloyd：在经典计算中，比特是基本计算单位，用以区分概率，头尾或者真假，用计算机专业术语就是0和1。另外比特也指代计算机、手机、以及其他超级计算机中微小晶体管的开关状态。进入量子领域之后，同时处于0和1两个状态的就是量子比特。在我们刚开始构建量子计算机模型的时候，我意识到任何量子自由度都可行，可以称上旋为0，下旋为1，根据量子力学，也允许两种状态同时存在。回到1985年，量子计算领域的开创者，英国物理学家大卫·多伊奇（David Deutsch）就提出了一个问题，想象一下我们有一台数码计算机，以量子比特运行计算，它能做什么呢？

主持人：说到运算，我们可以说经典计算能完成这个运算，或者完成那个运算，那么对于量子计算机，我们是否可以说它能同时完成这个以及那个运算呢？

Seth Lloyd：说得好！我们看看经典计算怎么运行的，比如一张图片由一个个像素组成，每一个像素包含32比特的信息，然后处理这些信息，就好像最新的人工智能程序，将信息打碎成比特信息，然后快速地以系统方式进行翻转。

而量子计算机也同样如此，但使用的是量子比特，你在同时上旋和下旋的电子或者同时出现在两个位置的光子中存储量子比特，比特可以视作给出指令：0就是告诉量子计算机去执行2+2，1让量子计算机去执行3+1，但如果换成0和1 同时存在的量子比特，量子计算机就会以奇异的量子形式同时执行2+2和3+1，这点非常反直觉。

主持人：这就涉及了在同一时间完成许多运行的强大算力，一个比特或者量子比特可能无法做到里程碑式的运算，但我们一旦扩大规模，如果变成两个量子比特，那么在一个量子计算机中可以同时实现四种运算的概率，而经典计算机只能实现四种运算之一。随着量子比特数量的增加，比如达到20个量子比特，你都列不完可同时运行的数量了。如果我们列一张表队对比一下随着比特或者量子比特数量的增长，经典计算机和量子计算机的运算次数，后者将呈指数级的增长。

Seth Lloyd：是的，如果你有一台量子计算机，里面有300个量子比特，那么计算机能探索的概率就会超过可观测到的全宇宙基本粒子数量。

主持人：这就是一种广为流传的说法的源头，即量子计算机能够呈指数级因子增加所有计算，但如果我们深入探讨的话，这样的说法可能有一定误导性，因为如果让量子计算机执行某一特定任务，它会执行产生所有可能结果的计算，那么你最后怎么选从众多并行计算所得的出众多结果选择出那一个你想要的结果呢？

Seth Lloyd：实际上，多伊奇最初建议使用量子计算机进行量子并行计算，我们能够搜索所有可能的解决方案，来完成高难度问题。你让量子计算机独自运行，让量子比特完成它们所想要完成的计算，而一旦进行测量，它们必须明确告诉你是0或者1，算力就丧失了。所以，你设定好所有的量子并行计算，然后测量你得到的结果，完全随机的结果，并不是非常有用。

主持人：所以目标是利用量子力学中固有的概率特性，以及有趣的干涉效应，取用各种各样的波，以及各种概率，然后以某种方式组合起来，最终组合出来的波并不是随机的所有概率，而是越来越接近某一特定答案。所以，如果你足够聪明地构建量子算法，即便并不知道答案是什么，我们最终能看到所有量子波构建出来的唯一答案正是你所寻找的答案。这难度也太大了。

Seth Lloyd：说得真好，我听着都觉得不可能。但干涉在双缝实验中非常重要。而在量子计算机中，如果有300个量子比特，就会有无数的波，上下振荡，你希望它们以正确地方式相互干涉，就像创造和声。经典计算机有点儿像格里高利圣咏，你唱一个音，我唱另一个音，形成和谐的和弦。这是一种特殊的感觉和音质，能够被立刻识别出来，但这些不是音本身的属性，而是两者干涉的结果。经典计算机一次只做一件事，而量子计算机则像交响乐，而且比瓦格纳所谱写出的所有交响乐都复杂。

主持人：因此，我们的目标就是让这首“交响乐”以各种方式发生干涉，正如在双缝实验中，粒子以非常特殊的方式干涉，挑选出可能降落的位置。但在量子计算机中，在众多量子比特的所有可能结果中，您想要以某种方式选择出其中一些波进行干涉，并抑制大多数你并不关心、甚至不感兴趣的答案，最终带来你真正想要的四个，甚至一个答案。

Seth Lloyd：说得没错。你必须考虑所有这些不同的可能性，这些可能性以量子力学的方式同时存在，你需要叠加起来，最终得到问题的答案，执行难度确实很大。

主持人：我们已经开发出多少种量子算法来获得答案呢？

Seth Lloyd：1994 年，计算机科学家彼得·秀尔（Peter Shor）展示了使用量子计算机执行量子质因数分解算法，破解公钥加密。另一个主要算法是搜索：格罗弗算法则使用波干涉。实际上，格罗弗的灵感来自相控阵雷达，其中波相互叠加，以检测物体的位置。而这种相控阵雷达的量子版本便是格罗弗算法，它可以增强你对事物的检测和成像的准确性，这是一个相当大的进步。

▲彼得·秀尔

然后第三个是我开发的算法，受到了就是开始提到的费曼名言，展示了如何利用量子计算机来模拟其他量子系统，包括基本粒子定律，甚至弦理论。

主持人：您能否直观地告诉我们，什么样的问题可以用量子算法来解决，才能充分发挥量子计算机的潜力？

Seth Lloyd：我们一直在寻找新算法。2008 年，我的同事阿拉姆·哈罗（Arum Harrow）和我 意识到可以利用这种描述波和波动方程解的数学：向量代数。其中包括数字集合、数字矩阵，你可以使用乘法法则，然后简化你的方程。海森堡方程就是通过数定律来表达。我们意识到量子计算机的可行性是因为物理波、量子力学波和数学之间存在这种联系。你可以用它来解决所有这些涉及线性代数的问题。

这实际上变得非常有用，因为在 2008 年，我们还没有深度学习或者机器学习，更不用说大语言模型。但机器学习、人工处理信息所涉及的数学原理，实际上就是通过线性代数问题来表达。现在，我们实际上拥有大量可能的应用，如果我们能够构建量子计算机，即便是中等规模的量子计算机，只要有几千个量子比特，那么我们实际上就可以解决一系列各种有用的社会问题。

主持人：我们听到过一种比较强硬的说法：量子计算机将让经典计算机成为历史。一切都将归入量子方法。这种说法有多准确或多误导人？您如何评价？

Seth Lloyd：我不认为人们很快就能在量子计算机上运行微软的word程序，这对量子计算机来说是浪费资源。实际上，优化问题仍难以解决，因为你无法一次搜索所有这些可能的解决方案，你需要将注意力限制在可以使用这种正干扰将波组合在一起的解决方案上。对于量子机器学习、量子人工智能等而言，这是一个非常大的问题。因此，它可能有很多应用，但它不会改变一切。但我们目前还需要讨论噪声和误差问题以及量子系统的敏感性。必须能够克服这些问题。我们正处于两难时期，看起来胜负各半。我们可能制造出大型量子计算机，也可能造不出来。如果成功的话，那将真得很有用。但我个人持乐观态度。

主持人：最后一个问题，我认为这实际上只是直觉而已。如果要您说出实现量子计算机全部潜力的时间尺度，您认为是 5 年、2 年、还是 100 年，或者现在还很难说？

Seth Lloyd：我尽量不做技术预测，但我认为人们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，这是一条艰难的道路。我非常不确定，我说，10 年左右或永远不会，或者5 年左右或永远不会。

主持人：所以尽管理论上可行，但实际上我们可能永远无法实现？

Seth Lloyd：公平地说，量子信息和量子信息处理是一个比仅仅建造量子计算机更广阔的领域。如果你研究传感、成像和精密测量等问题，通过光探测世界来获取这些量子态，然后进行处理。量子信息处理允许更精确地完成测量，例如，戴维·瓦恩兰（David J. Wineland）的光频量子钟，他也因此获得了2012年诺贝尔奖，被称为量子逻辑、量子钟、原子钟，因为它利用不同自旋和量子钟碎片之间的纠缠来测量时间，其精度比人们以前测量的精度高出数十亿倍。

对于传感和成像也是如此，也许可以制造出类似量子磁力计的设备，以更准确地测量大脑中的磁场，这样你就可以获得精准图像。甚至创作一部四维电影……我的同事米歇尔·赖利现在就在观众席上，我们正在研究这个问题。所以这些应用实际上已经存在了，也将继续存在。