追隨諾獎得主，走進量子化學學
Alain
2022年諾貝爾化學學獎得主、巴黎薩克雷學院
高等光學研究院院長、巴黎綜合理工大學院長
2022年諾貝爾化學學獎由Alain、JohnF.和Anton三位科學家共同獲得，她們通過量子糾纏實驗進一步證明了量子熱學的正確性，促使量子信息系統(tǒng)成為一門真正的科學，這將進一步促進量子計算機的發(fā)展。量子計算機和量子化學學究竟如何回事？量子計算機和傳統(tǒng)計算機有哪些區(qū)別？
量子化學學是描述電子、原子、分子、晶體等微觀粒子的化學定理。我們在宏觀世界熟悉的牛頓熱學定理在納米尺度（十億分之一米，大致相當于原子的大小）的微觀世界里不再有效。20世紀上半葉普朗克和愛因斯坦對量子化學學的發(fā)展做出了巨大貢獻，從1925年起，偉大的化學學家海森堡、薛定諤和狄拉克將量子化學進一步物理公式化，并仍然延用至今。
量子化學學對于解釋物質(zhì)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。19世紀末，人類發(fā)覺原子是由正電荷和負電荷組成，且正電荷和負電荷互相吸引，碰撞后會抹殺。既然這么，作為物質(zhì)基礎(chǔ)的原子如何能夠存在呢？這都是由于電子的量子特質(zhì)：電子除了是粒子，但是是波。當你企圖限制電子的空間位置，其波長都會遞減，能量須要相應地遞增，但因為電子無處獲得大量能量，所以不能被限制在大于原子規(guī)格的空間內(nèi)。量子化學學也可以拿來解釋原子之間的物理鍵。
量子化學的原理進行物理公式化后，能在微觀層面上估算材料中的電壓，人們以此發(fā)明出了晶體管和集成電路，作為現(xiàn)代計算機的基礎(chǔ)。量子化學學還闡述了物質(zhì)吸收、發(fā)射光子（光粒子）的原理，因而催生了激光設備的發(fā)明。
01
量子計算機
量子計算機的概念萌生于近二十余年，不過其起源可以溯源到上世紀70年代化學學的幾項技術(shù)突破：首先是單個微觀物體的觀察和控制技術(shù)。在那之前，人類只能操縱小型粒子群，但如今可以捕獲單個電子或原子，觀察并控制它的行為大學物理量子物理論文，還可以發(fā)射單個光子并借助它的特點。其次是量子糾纏理論。愛因斯坦、波多爾斯基和羅森在1935年發(fā)表的一篇論文中首次描述了量子糾纏，該現(xiàn)象只有在量子化學學的理論框架內(nèi)才有可能出現(xiàn)。
兩個粒子在空間中互相作用后分離，會產(chǎn)生一個不可分割的量子整體。當整體包含的信息少于每位粒子本身所包含的信息之和時，才會發(fā)生糾纏。正是這個屬性讓量子估算在理論上成為可能：假定有幾個、數(shù)十個乃至上百個相互糾纏的粒子用于編碼量子信息，能儲存的數(shù)據(jù)量都會指數(shù)降低，遠超于傳統(tǒng)的儲存設備。
02
退相干現(xiàn)象——量子計算機研制的主要障礙
但是，我們距離理想中的量子計算機還有相當長的距離，由于現(xiàn)有的量子位（量子比特）并不穩(wěn)定，與環(huán)境互相作用時會發(fā)生所謂的“退相干”，一段時間后會手動恢復成精典數(shù)學學物體，并喪失所包含的量子信息。退相干是量子計算機的一個重大障礙，須要極大的研制力度才有可能克服。不過，也有一些“捷徑”：比如找尋免受退相干影響的量子態(tài)子空間。倘若能成功，我們在有生之年才能看見量子計算機。
我深信，遲早會出現(xiàn)一臺能完美運行的理想量子計算機。依我之見，只要一個目標不遵守數(shù)學基本定理，工程師一定會找到實現(xiàn)的方式。其實，研制的過程須要時間，不可能一蹴而就。
03
基于隱型傳態(tài)的未來量子網(wǎng)路
量子互聯(lián)網(wǎng)（更確切應稱為量子網(wǎng)路），指包含兩個或多個量子計算機的網(wǎng)路，計算機直接從量子態(tài)發(fā)送量子信息相互通信，無需通過中間精典化學狀態(tài)。這種網(wǎng)路信息傳輸量極大，其原理是“量子隱型傳態(tài)過程”，早已在單個粒子和大型粒子群中得到了驗證，但傳輸距離只能在幾十公里以內(nèi)。
假如退相干問題在短期內(nèi)得不到解決，“降級版”量子計算機可能會首先出現(xiàn)。對于個別任務，比如知名的旅行推銷員問題、電力網(wǎng)路優(yōu)化等優(yōu)化類問題，這些中等規(guī)模的量子計算機將比傳統(tǒng)計算機更高效。
04
第二次量子革命
“量子2.0”成為了當下的熱門概念，但我更樂意稱其為“第二次量子革命”，由于量子技術(shù)將具有顛覆意義。第一次量子革命主要是概念性、理論性的：科學家們發(fā)覺了描述波粒二象性的新公式，加深了人類對化學世界的理解，并催生了一大批徹底改變社會的技術(shù)應用。第二次革命有兩個嶄新的基礎(chǔ)：一是隔離和控制單個量子物體的技術(shù)，二是讓量子顆粒發(fā)生糾纏、并將糾纏現(xiàn)象應用于實際場景的技術(shù)。
新的量子技術(shù)會像晶體管、激光一樣，讓人類社會發(fā)生重大改革嗎？現(xiàn)今作出這些判定為時過早，但我覺得企業(yè)應加強量子技術(shù)研制投資。假如新技術(shù)真的帶來了我們所期望的革命性進步，沒有提早投資的企業(yè)都會遭到淘汰。據(jù)悉，企業(yè)應廣泛招募量子化學專家，但這種人才存在缺口，故我建議企業(yè)與學院構(gòu)建合作伙伴關(guān)系，牽手并進。
我們倫敦薩克雷學院有一個與倫敦綜合理工大學的合作項目，名為ARTeQ大學物理量子物理論文，為理工科專業(yè)的中學生提供量子通識教育，便于她們在未來的職業(yè)生涯學校以至用。該項目得到了來自企業(yè)界的慷慨捐助。
未來的世界須要量子研究者，也須要量子工程師和技術(shù)工人。這意味著我們從現(xiàn)今開始就要投資于量子化學的研究、技術(shù)和技能培訓。
作者
Dumé
編輯
Xia