陆朝阳：在量子世界里，孙悟空的分身术、筋斗云有没有可能？｜2021腾讯青少年科学小会演讲( 三 ) 量子和量子计算机是什么？在

这个时候一个更加奇怪的现象就出现了，当没有观测的时候出现的是这么一种干涉的条纹。但是一旦有观测，一旦你知道电子是从哪边过去的，这个现象又消失了，又回到了我们所熟悉的经典世界里的现象。
所以这是一个更加奇怪的现象。也就是说，我们知道在经典世界里面桌子上放一瓶水，你去看它和不看它，它都是一瓶水，它不会有什么变化。但在量子世界里面，我们可以看到这种观测的行为会反过来影响物理状态本身。我们就可以看到，这跟牛顿力学是很不一样的。
我们知道在牛顿力学里面，之所以我们今天考试有个标准答案，是因为我们从一个初使条件，就可以很精确的计算出之后所有的运动状态。

文章图片
但是我们可以看到，在量子世界里面，我们一些主观的行为，我们去观测，这里面有没有信息的泄露，有没有意识的一种介入，都会反过来影响物体本身的状态。
观测会不可避免的引入扰动——我们现在正在做量子保密通信就是基于这么一个物理原理。在2016年8月16号，世界上首颗量子通信实验卫星“墨子号”在中国九泉升空。墨子号升空之后，我们已经非常成功的完成了相关科学实验，比如说从墨子号上面我们可以发两个纠缠的光子下来，这两个纠缠的光子相距1200公里之后，我们去看看这两个光子会发现，一个光子的状态会瞬间影响另外一个光子的状态，这个是另外一个非常奇妙的现象，叫做“量子纠缠” 。青少年朋友可以继续去了解一下。

文章图片
我们今天所讲的重点其实是量子计算。因为今天量子通信已经慢慢走向实际的应用，但量子计算还处于一个基础研究攻关的阶段。因为我们需要操纵大量的高精度的量子比特，在量子通信里我们每次只要传送一个光子就够了。但量子计算里我们可能最终需要几百万、几千万个量子比特。
为了保证量子计算非常健康地发展，目前我们国际学术界就定义了三步走的里程碑目标：
第一，造出一个用量子力学原理运行的一个装置来。它不是所有的问题都能够比经典计算机快，但是对一些特定的问题要能够超过超级计算机的计算能力。目前在这个里程碑上，由Google和美国的加州大学组成的联合团队和由我们中国科学家研发的“九章”量子计算机，分别在超导和光学体系上达到了“量子计算的优越性”目标。
我们之后的一些研究计划是，去操纵更多的量子比特，来造出一些专用的量子模拟机以及最终通用的量子计算机。

文章图片
在目前我们所研究的各个物理体系里，有光子、有原子、有一些固态的体系，其中有一种方法是用光子的方法来实现“量子计算的优越性” 。这个方法叫“玻色取样” ，最早是由美国麻省理工学家的ScottAaronson教授把这个方案提出来的。去年我们真正把这个实验做出来之后，他也获得了一个国际计算机协会的大奖。
这个理论做出来之后，其实真正的挑战是在于实验上怎样把这么一种空想变成现实。我们在7、8年之前，要开始做这个实验的时候，遇到了很大的挑战。
当时把能够实现“九章”的三个关键的部件，就是量子光源、量子线路、探测，我们当时把世界上能够做到的最好水平全部拿过来集合在一起，发现我们要实现50个光子的时候，不用说我们后面“九章”做了70个光子，即使只做50个光子的时候，最终的计数率是10的负150次方赫兹。
这是一个什么概念呢？比如我们去买双色球彩票，中奖的概率大概是10的负7次到负8次，就是说这个概率非常小。我们得连续中21次双色球大奖，这么小的一个概率，才能做到玻色取样50个光子的实验。

文章图片
所以，为了解决这个问题，我们在过去的十多年一直致力于发展高性能的量子光源、量子线路和探测器，以及锁相技术。屏幕里面就是“九章”的干涉一部分的照片。
除了要发展这样一些高性能的量子光源之外，还要把这些光子相位要锁定。难度相当于要在一个100公里的尺度里，让50匹马从北京跑到天津，到达天津的时候， 50匹马之间不能够超过一根头发丝的距离。