他從未上過量子計算課程，卻寫了一本量子計算科普書

諾獎得主、知名物理學(xué)家玻爾曾說過：“誰要是第一次聽到量子力學(xué)時沒有感到困惑，那他一定沒聽懂。”提到量子力學(xué)，不論正在學(xué)習(xí)中的學(xué)生，還是有所掌握的老師，抑或只是對量子科技感興趣的普通讀者，在（自）學(xué)量子力學(xué)的過程中都或多或少有過犯難的時刻。

量子力學(xué)為何如此艱深難懂？學(xué)習(xí)以此為基礎(chǔ)的量子計算有可能成為一件快樂的事嗎？帶著這些問題，我們采訪了《量子計算的樂趣》（The Joy of Quantum Computing）的作者 Jed Brody。這本由普林斯頓大學(xué)出版社出版的量子計算科普書籍，以及作者對于量子物理相關(guān)概念的獨特講述方式，或許能解決你的一些困惑。

Jed Brody：我大學(xué)主修物理，畢業(yè)后的兩年在西非貝寧共和國教授物理和化學(xué)。我喜歡用蠟燭、汽水瓶這些當(dāng)?shù)仉S手可得的材料做科學(xué)演示。離開貝寧后，我進(jìn)入佐治亞理工學(xué)院讀研究生，做太陽能發(fā)電方面的研究。這段研究經(jīng)歷讓我倍感受挫——我并不擅長制作太陽能電池。我清楚自己熱愛教學(xué)，于是申請了教職，至今已在埃默里大學(xué)擔(dān)任教學(xué)教授二十三年。

▲Jed Brody，埃默里大學(xué)教學(xué)教授。

剛到埃默里大學(xué)時，我并沒有發(fā)表論文的打算。但我發(fā)現(xiàn)自己喜歡設(shè)計低成本的教學(xué)實驗，便把成果寫成文章投給教育類期刊。最近，我了解到了免費、可遠(yuǎn)程訪問的量子處理器，例如由IBM Quantum和Quantum Inspire提供的那些量子處理器（我對IBM Quantum更熟悉一些，但Quantum Inspire在全球范圍內(nèi)更普及）。目前很多量子計算的文獻(xiàn)，要么預(yù)設(shè)讀者擁有高等數(shù)學(xué)背景，要么走向另一個極端，專門寫給完全不想看任何數(shù)學(xué)的人。我試圖在兩者之間找到一條中間道路，為那些不介意有一點數(shù)學(xué)的初學(xué)者編寫教學(xué)材料。

▲Jed Brody的演示實驗設(shè)備。

對新書中量子力學(xué)的認(rèn)識

墨子沙龍：您在《The Joy of Quantum Computing》這本書中沒有使用“Alice和Bob”這對經(jīng)典的物理學(xué)家假想角色，而是使用了荷馬史詩里面的經(jīng)典形象，您為什么會選擇如此打破常規(guī)的設(shè)定呢？

Jed Brody：由于我從未上過量子計算課程，只能靠自學(xué)。這個過程就像一場史詩般的旅程和一次艱辛的求索。那些新概念仿佛來自異世界。量子比特橫跨陌生的疊加世界和熟悉的二進(jìn)制世界，恰似神話中的英雄同時游走于魔法世界與俗世生活之間。

墨子沙龍：有些人認(rèn)為量子力學(xué)必須依賴復(fù)雜的數(shù)學(xué)，也有些人覺得即使是量子力學(xué)科普也不應(yīng)該包含公式推導(dǎo)內(nèi)容，您在新書中，卻選擇了第三條路：不回避公式，而是用相對簡單的算術(shù)讓讀者理解其中的矛盾。您選擇這種科普方式，是否有什么特殊的理由？

Jed Brody：沒錯！完全可以用純概念、非數(shù)學(xué)的方式來講解量子話題。但歸根結(jié)底，數(shù)學(xué)是物理學(xué)和技術(shù)的語言，如果完全避開，某些精妙之處就會在轉(zhuǎn)述中丟失。物理學(xué)的魅力之一就在于，高中水平的數(shù)學(xué)就足以揭示許多隱藏的自然法則。對我個人而言，學(xué)習(xí)物理是一種與宇宙的深度交流，而數(shù)學(xué)則是通往宇宙深處的門戶。有些讀者不想碰任何數(shù)學(xué)，這完全沒問題。但我對標(biāo)的讀者是那些希望看到自己基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)水平也能展現(xiàn)神奇應(yīng)用的人群。

▲Jed Brody 的《The Joy of Quantum Computing》一書封面（普林斯頓大學(xué)出版社 Princeton University Press, 2025.07）

墨子沙龍：如果讓您為自己這本《The Joy of Quantum Computing》做個自我評價，您最想強(qiáng)調(diào)什么？您希望通過這本書向讀者傳遞哪些想法？

Jed Brody：《量子計算的樂趣》這本書中只用到高中代數(shù)的知識，以具體、量化的實例講解了量子計算中最著名的算法和應(yīng)用，包括量子隱形傳態(tài)、格羅弗搜索算法和肖爾因數(shù)分解算法。我希望讀者在看懂量子電路圖這些“象形文字”時，能為自己感到驚喜。同時，我也希望能傳達(dá)出量子信息科學(xué)中技術(shù)與哲學(xué)相互交融所帶來的那份敬畏與驚嘆。

對量子力學(xué)科普的理解

墨子沙龍：作為一名量子科普作家，您認(rèn)為量子物理領(lǐng)域的科普與其他領(lǐng)域最大的差別是什么？

Jed Brody：量子物理常常給人一種神秘莫測、甚至帶有玄學(xué)色彩的印象。一些頂尖物理學(xué)家提出的觀點聽起來頗為超自然，比如多重宇宙的存在。如果我們過度強(qiáng)調(diào)這些神秘的一面，就會給人造成一種印象，仿佛量子物理全是關(guān)于形而上學(xué)的玄思。但另一方面，量子物理中確實存在著一些嚴(yán)謹(jǐn)而真實的謎團(tuán)，我們也不該輕描淡寫，因為這些謎團(tuán)也是量子物理魅力的一部分。

墨子沙龍：我們發(fā)現(xiàn)，您不僅是一位物理學(xué)家，還寫過科幻小說（如The Philodendrist Heresy），您還曾在《今日物理（Physics Today）》雜志上發(fā)表過相關(guān)文章。在您看來，科幻創(chuàng)作和量子力學(xué)科普之間是否存在某種相輔相成的關(guān)系？

Jed Brody：沒錯！我批改過很多實驗報告。不少學(xué)生以為科學(xué)寫作就應(yīng)該復(fù)雜晦澀、讓人看不懂。但真正好的科學(xué)寫作，恰恰是清晰而簡潔的。優(yōu)秀的科幻作品也同樣清晰簡潔，沒有刻意堆砌的隱喻，也沒有過度渲染的詩意。正是科學(xué)寫作教會了我用簡單直接的方式去寫科幻小說，而不是去模仿莎士比亞的文風(fēng)。

墨子沙龍：您如今的研究領(lǐng)域更加專注于教學(xué)實驗方面，在您嘗試用簡單的教學(xué)實驗來闡釋復(fù)雜的物理學(xué)原理的過程中，是否曾經(jīng)遭遇過什么挑戰(zhàn)，或者是否曾有一些有趣的小故事，可以與我們分享呢？

Jed Brody：有一次，我設(shè)計了一個低成本實驗，用一根一端密封的長塑料管（1.5到2米長）。我先在管里裝一些水，然后倒扣進(jìn)水桶里（如左圖所示）。如果快速上下移動管子再固定住，管內(nèi)的水就會先振蕩一陣，最后逐漸平靜。我當(dāng)時在研究振蕩頻率與管子中水量多少的關(guān)系。右圖顯示了三種不同管長下，頻率隨充水率的變化（左端為0%，右端為100%）。

實驗前，我并不知道結(jié)果會怎樣。我讓學(xué)生一邊采集數(shù)據(jù)，我一邊推導(dǎo)理論公式。學(xué)生最初只采集了曲線右半部分的數(shù)據(jù)：隨著充水率降低（向左移動），頻率一直下降。我本以為這個趨勢會持續(xù)下去。但當(dāng)我完成公式推導(dǎo)后，卻發(fā)現(xiàn)當(dāng)充水率小于0.5時，頻率應(yīng)該會重新上升。我當(dāng)時甚至不相信自己的方程式！不過隨后，我的學(xué)生采集了曲線左側(cè)的數(shù)據(jù)，果然，隨著充水率變得更小，頻率又回升了。

要理解這個現(xiàn)象，我們可以這樣想：當(dāng)管子幾乎空的時候，里面的水就像一個很輕的物體掛在彈簧上——由于很容易改變它的運動方向，所以振蕩得很快；而當(dāng)管子幾乎裝滿時，里面的水則像連在一根非常硬的彈簧上的重物，因為管內(nèi)少量被困住的空氣在被壓縮和膨脹時會產(chǎn)生很強(qiáng)的阻力。

▲演示實驗設(shè)計與實驗數(shù)據(jù)記錄。

墨子沙龍：對于墨子沙龍的觀眾——他們既包括專業(yè)的科研人員，也包括對科學(xué)充滿好奇的青少年——您有沒有什么建議，或想對他們說的話？

Jed Brody：我想對年輕人說，你們可能會以為教授和作者們一直都學(xué)得又快又輕松，從來都是班上的佼佼者。但其實我們很多人都曾艱難地學(xué)習(xí)，甚至想過放棄。我讀研究生時上了第一門量子力學(xué)課，盡管每次考試前我都花了十多個小時復(fù)習(xí)，但每一次測試成績都低于平均分。所以，請不要輕言放棄！

▲Jed Brody與長城的合影。