詭異的量子世界，現在我們可能知道是為什么如此怪異了！

把球扔向墻面，它會反彈，然后你可以再次抓住它。到現在為止還挺好。球不會突然從墻上消失，也不會變成別的東西。你剛才看到的這種完全正常的、可預測的行為就是經典物理學在起作用。直到1900年，它一直被稱為物理學。無論你是在討論粒子還是行星，控制球反彈的規(guī)則都可以用來描述宇宙中的任何東西。

然后量子力學出現了。在過去的四十年里，我們的世界變成了一個非常陌生的地方。物體的行為就好像它們同時在兩個地方一樣，粒子的行為就好像它們可以同時出現在兩個地方，從而導致了雙重生命。量子世界的怪誕已經成為傳奇，但這種怪誕的起源仍然是個謎。理論家一直繼續(xù)努力解決一個幾乎無法忍受的基本問題：是什么賦予了量子世界明顯的反直覺的量子味道？

事實是我們還不知道。這種無知對我們對現實的理解以及我們在現實技術中使用量子現象的能力有著深遠的影響。雖然多年來出現了不同的建議，但我們現在似乎離真正的答案越來越近了。

沒有什么比建造量子計算機更具變革性的了。作為普通PC的卓越繼承者，其傳說中的優(yōu)勢被認為是一系列量子現象所致。如果我們已經確定了數量的真正根源，一場新的計算革命將很快到來。

一切都從阿爾伯特·愛因斯坦開始。在20世紀初，他站在一波年輕物理學家的前沿，他們對我們周圍的世界做出了重大的發(fā)現。1905年，他令人信服地指出，光（長期以來被物理學機構認為是一種波）必須以非常類似粒子的方式行事。當用稱為電子的亞原子粒子進行的實驗顯示它們像波一樣向外擴散時，物理學界更加困惑。

“事實是，盡管量子計算具有革命性的潛力，但它的力量之源仍然籠罩在神秘之中。”

解釋這些新現象需要重新思考光和物質的結構。人們發(fā)現，微觀粒子和原子被發(fā)現具有更光滑的特性。它們最好的描述是用被稱為波函數的數學實體來描述的，它計算了它們在不同地方存在的概率。直到你發(fā)現它們的確切位置，所有這些不同的可能性都同時存在。

用波函數和概率代替難以確定的結果，產生了一些令人吃驚的后果。這意味著當一個粒子面對一個硬屏障時，它被定位在另一邊的概率為非零，允許它執(zhí)行看似不可能的穿越隧道的壯舉。

許多物理學家不喜歡這幅畫面。其中最主要的是愛因斯坦，他對自己幫助引入的量子世界觀的后果感到震驚。為了強調這一激進的新物理學的荒謬之處，他與普林斯頓大學的兩位志同道合的同事鮑里斯·波德斯基(Boris Podolsky)和內森·羅森(Nathan Rosen)合作撰寫了一篇論文。這篇被稱為EPR悖論（Einstein-Podolsky-Rosen paradox）的論文，以作者的名字命名，展示了一個由概率控制的宇宙令人擔憂的結果。EPR解釋說，在適當的條件下，兩個粒子的波函數可以緊密地綁在一起，或者糾纏在一起，以至于你在一個粒子上執(zhí)行的任何動作似乎都會瞬間影響另一個粒子，不管它們相距多遠。

這是異端邪說。在經典物理學的語言中，信號只能以光速傳播。這意味著物體需要更多的時間來與距離它們更遠的事物進行交流，而不是與緊挨著它們的物體進行交流。根據這一邏輯，經典物理學說，兩個相距一光年的糾纏粒子需要整整12個月的時間才能對彼此的任何變化做出反應。然而，根據EPR的說法，這種反應似乎是瞬間發(fā)生的。難怪愛因斯坦稱這個過程為“鬼魅般的超距作用”。

推翻愛因斯坦

但并不是每個人都這么害怕。埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）是量子論的另一位先驅，他將糾纏作為一種現象，將量子世界和經典世界明確區(qū)分開來，稱其為量子力學的特征。對于像薛定諤這樣的物理學家來說，它的詭異使它成為尋找使量子世界具有量子性的關鍵成分的理想場所。

一直以來，像愛因斯坦這樣的懷疑論者都不顧一切地用純粹經典的方法來解釋這種奇怪的孿生關系。一個建議是，這兩個粒子具有預先確定的特性，這些特性是通過觀察發(fā)現的。例如，如果你把一副手套分別放到宇宙的兩端，當你發(fā)現一只手套是右手的時候，知道其中另一只手套是左手就不足為奇了。一只手套的并不是在另一只手套被檢查的時候出現的，它一直以來都是它的身份中不可或缺的一部分。

這一理論似乎既解釋了糾纏又保持了局域性。1964年，物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾(John Stewart Bell)構思了一系列思想實驗，能夠區(qū)分真正的量子糾纏和保持局域性的經典糾纏(見下圖)，這一切都發(fā)生了變化。

從1972年起，在一系列更加精確的實驗中，糾纏被證明是一種現實。量子物理是非局域性的。在倫敦大學戈德史密斯大學從事量子信息理論研究的馬蒂·霍本（Matty Hoban）說：“這些實驗決定了任何拯救現實的希望的命運。”

但是，盡管非局域性顯然是量子力學奇怪的一個組成部分，但這并不是故事的結尾。首先，非局部性僅適用于兩個或多個粒子。它不存在于任何涉及單個粒子的奇怪量子效應中，例如它能夠通過隧穿墻壁或獲得多個身份。其他一些經典物理定律也被打破了。

不可靠的證人

這一困境的答案，再一次可以追溯到愛因斯坦。EPR及其支持者提出的另一個假設是，量子實驗遵循與經典實驗相似的規(guī)則。他們假定任何物體都有固定的性質，可以通過提出正確的實驗問題來發(fā)現這些性質。左手套永遠是左手套，這是一個不變的內在屬性。無論你是通過戴上它來測試它，還是讓你的朋友戴上它，這些不同的環(huán)境都不應該改變它的身份。

貝爾的測試表明，在量子世界中，它們確實有影響。當測量一對糾纏粒子時得到的結果與對其伙伴的測量有很強的聯系。換句話說，每個粒子的答案必須取決于它被質疑的背景。從這個角度來看，量子世界中所有最違反直覺的結果都突然變得有意義了。在適當的條件下審問一個量子粒子，你可能會影響其共屬的性質。

對于加拿大周邊理論物理研究所的安娜·貝倫·塞恩斯（Ana Belén Sainz）來說，這使得情境性成為更固有的量子現象，而非局部性僅僅是它自身的一種表現方式。

然而，為了找出它是否真的是量子世界固有的奇怪之處的根源，我們需要構造一個類似于貝爾為非局域性設計的測試。這需要在兩個不同的環(huán)境中進行相同的實驗，并比較結果。事實證明，這是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為即使是設備中的微小缺陷也會導致實驗噪音，從而導致結果的細微變化。你如何區(qū)分純粹由于實驗噪聲而產生的差異和那些由于量子怪誕而產生的差異呢？

答案出現在2016年，當時兩個團隊對量子背景進行了獨立的實驗測試。他們的方法足夠強大，實驗噪音足以令人信服地證明量子世界中的物體確實是不可靠的見證者：他們給出的答案不僅取決于你問的問題，而且取決于你問他們的背景。對塞恩斯來說，這些實驗是量子物理學史上的一個里程碑。

盡管它在量子宇宙中扮演著更重要的角色，但幾十年來，它的情境性一直沒有得到應有的認可。缺乏愛因斯坦認可只是冰山一角?；舯菊f：“這在很大程度上可以歸結為令人震驚的價值?！睂τ谖锢韺W家來說，非局域性似乎更令人震驚，因為它觸及了現實的基本要素：空間、時間和因果關系。無論出于何種原因，它的主導地位可能即將受到挑戰(zhàn)。

2019年可能是世界上第一臺大規(guī)模量子計算機建成的一年。根據該競賽中的主要競爭者的說法，這樣的計算機將利用量子力學的怪癖來執(zhí)行甚至超越速度最快的超級計算機的任務，從發(fā)現新的癌癥藥物到改進天氣預報和交通控制。但是什么讓它們如此特別呢？

IBM的工程師們也希望制造出世界一流的量子計算機

在幕后，計算機只是一種能夠操縱信息以執(zhí)行所需任務的設備。在普通筆記本電腦或個人電腦中，這是通過位于機器核心芯片上的數十億個晶體管實現的。每個晶體管都可以處于兩種狀態(tài)中的一種：通電或關斷。這兩個狀態(tài)(稱為1和0)表示單個位信息。把足夠多的碎片粘在一起，你就可以做任何事情，從計算航天飛機的軌跡到建立一個模型宇宙。

在量子計算中，經典位被量子位取代。量子位的波函數不只是以0或1的形式存在，而是允許它以0和1的新組合存在，這就是所謂的疊加。到目前為止還很簡單。但在這一點上，許多試圖解釋量子計算能力的嘗試都偏離了軌道。標準版本是這樣的。經典位必須在兩種可能的狀態(tài)中選擇一種，但是，多虧了疊加，一個量子位可以“同時”表示兩種狀態(tài)。因此，當一臺經典計算機必須一次嘗試每一個可能的解決方案時，量子疊加允許量子計算機同時嘗試所有可能的解決方案，使它比普通計算機更快、更強大。聽起來很棒。唯一的問題是，這完全是胡說八道。霍華德說：“如果事情這么簡單，量子算法的設計也會很容易。”

事實是，盡管量子計算具有革命性的潛力，但它的力量之源仍然籠罩在神秘之中?；羧A德說：“即使對專家來說，理解量子計算機‘實際在做什么’也是一個難題?！痹谀承┣闆r下，我們知道量子算法已經能夠通過使用糾纏和疊加等現象來完成看似不可能的壯舉。但我們也知道，它們的一些成就可以在常規(guī)的經典機器上進行模擬。換句話說，僅僅使用這些奇怪的效果并不足以使量子計算機獲得優(yōu)勢。悉尼大學的量子物理學家安吉拉·卡蘭杰(Angela Karanjai)說：“令人擔憂的是，我們還沒有一種強有力的方法來確定一個量子系統(tǒng)必須具備哪些必要條件和充分條件，才能看到相對于經典計算的優(yōu)勢。”

但有些人認為他們知道這一優(yōu)勢所在。2014年，霍華德和他的合作者發(fā)表了一篇里程碑式的論文，表明情境性可能是量子計算的核心引擎。他們從被稱為穩(wěn)定器電路的簡單系統(tǒng)開始，這些電路本質上是量子的，但很容易在常規(guī)的經典計算機上進行模擬。用量子計算機科學家的話來說，這些電路不是“通用的”；并不是所有可能的量子算法都能在它們上運行。事實也證明，它們還不夠復雜，不足以顯示情境性。

霍華德和他的同事證明了，一旦你賦予穩(wěn)定器電路創(chuàng)造情境的能力，你就會使它們具有普遍性?；舯菊f：“這一結果開辟了新的領域，并發(fā)現了量子計算機能力的一部分基礎。”

那么，情境性是量子計算加速的秘密引擎嗎？鑒于現有的各種量子計算模型，霍華德對過度泛化持謹慎態(tài)度。盡管如此，我們知道，至少在某些時候，情境可以使計算成為真正的量子，這仍然是一個有用的結果?？ㄌm杰和她的合作者最近的工作表明，量子電路所展示的情境的數量限制了經典計算機模擬它所需的內存。情景越多，所需內存就越大。卡蘭杰說：“這些結果告訴人們建造一臺量子計算機要使用顯示情景性的系統(tǒng)來構建它，因為這些系統(tǒng)可以提供更多的計算能力?！?/p>

但情景性不僅有很好的技術前景。在經歷了一個世紀的不確定性之后，它終于可以讓我們描繪出量子物理學和經典物理學之間模糊的界限。

對薛定諤來說，糾纏是“可怕的”，它顛覆了我們的經典先入之見，這一事實足以預示它正處于分裂的另一邊。但是霍華德，卡蘭杰和其他人的工作表明，一個更嚴格的定義可能是可以實現的。量子物理學的核心不是由那些與我們經典預期不符的現象組成的雜亂無章的理論，而是一種關于計算的理論?？雌饋砹钊苏痼@的是，量子行為的真正特征可能是那些提供了明顯的計算優(yōu)勢的。

如果這一點持續(xù)下去，那么建造量子計算機的競爭將不僅僅是革命性的計算。它真正的遺產，事實上，可能是最終確定什么使量子力學成為量子。