挖掘量子技术的潜力：巨大信息容量和纠缠加密

Laurent Sanchez-Palencia

法国国家科学研究中心（CNRS）量子物理学研究主任、巴黎综合理工大学教授

巴黎综合理工大学教授Laurent Sanchez-Palencia的课题组正在量子尺度上研究物质结构。在量子的微观世界里，有怎样的神奇现象？量子与信息加密有什么关系？量子有哪些优势？“量子优势”如何实现？研究量子技术有哪些应用场景？

目前，学者正在对“准周期”材料的活动进行建模。此类材料很复杂，无法在原子尺度上进行研究。

学者想要探索当原子之间的相互作用导致新的量子相（如玻色玻璃）出现时，会产生什么效应。

纠缠是一种量子现象，测量一个粒子的状态，就能知道其纠缠伴侣的状态。

量子计算机至少需要使用几十万个量子位（量子比特），才能具有“量子优势”。

当前技术进一步发展的主要障碍是量子退相干现象：这是量子位与环境相互作用的结果，破坏了它们的纠缠。

巴黎综合理工大学教授Laurent Sanchez-Palencia的课题组正在量子尺度上研究物质结构，在量子的微观世界里，波和粒子效应（如干涉和纠缠）相互交织，粒子之间的相互作用很强烈。Sanchez-Palencia还参与了巴黎综合理工学院和巴黎综合理工大学的量子技术课程的开发。

课题组目前正在对量子进行模拟，以了解“准周期”材料在低温下的行为规律。由于这些材料太复杂，无法在原子尺度上完全描述，只有使用量子模拟才能更深入地理解，这与高温超导体和量子磁学的情况类似。

极小模型的理论结果可以在被称为“光学晶格”的可控系统中进行实际实验并测试。“光学晶格”由温度极低（10-10K）的原子组成，并通过激光束固定在一起。适当数量的激光束在平面上指向同一方向时，会生成一个奇异的系统，介于有序和无序之间（在长维度上有序但非周期性有序），即所谓的准周期系统。

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“玻色玻璃”量子相

学者正在研究当原子间的相互作用导致“玻色玻璃”（一种新量子相）出现时，会发生什么现象。玻色玻璃是一种特殊类型的绝缘体，理论上只应出现在无序或准周期的结构中。标准绝缘体的基态和第一激发态之间有一个能级。这意味着只有强大的电场才能激发电荷并使其运动。在玻色玻璃中，没有这样的能级，但电荷被限制在非常局部的区域，不允许电流流动。

图片来源：PI France

玻色玻璃最早是在20世纪80年代末被预测到的，但从未在实验中明确地观察到，即使在冷原子系统中也是如此。事实上，冷原子从来都不是完全冷的，即使在低至10-9K的温度，热波动也会破坏量子相。然而，Sanchez-Palencia的课题组最近做出了一个大胆的预测：尽管存在热波动，玻色玻璃仍可以稳定下来并被观察到。他们目前正在设计一个实验，希望观察到这种奇异的相态。

玻色玻璃有许多神奇的特质。例如，它们通常是非遍历系统，与传统的遍历系统相反。在遍历系统中，每一个粒子都会经过可支配空间中的每一个点至少一次，从而达到热力学平衡。19世纪末提出的玻尔兹曼理论很好地描述了这种情况。迄今为止的观测数据显示，无论是微米级别的物体，还是恒星、星系尺寸的物体，都符合遍历系统的规律：系统在所有可能的状态之间切换，沿着允许它快速切换的路径波动。但是，在非遍历系统中，这种遍历性被系统中的不均匀性所阻止。因此，此类系统被困在一个包含其可能状态的子集中，远离平衡。

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纠缠现象与信息加密

纠缠是Sanchez-Palencia课题组研究的另一个纯量子现象。两个或两个以上的粒子可以具有比经典物理学所允许的更强的相关性。例如，量子粒子的可观测性质通常是不确定的，因此测量结果是随机变化的。然而，当粒子纠缠时，无论粒子之间的距离如何，只要确定一个粒子的状态，就能立即决定另一个粒子的状态。爱因斯坦称量子纠缠为强大的“远距离灵异现象”，似乎超越了空间和时间。利用这一现象，只要测量一个粒子的状态（比如一个电子的自旋），就能确定其纠缠对象状态（另一个电子的自旋），不需要观测。

作为一种惊人的远距离效应，量子纠缠的应用才刚刚起步，暂时还局限于通讯加密。简单地说，假设发送方和接收方共享一对纠缠对，测量结果随机但相同。为了拦截通信，窃听者也必须进行测量，测量结果同样是随机的，但重点是，窃听行为会改变纠缠配对，导致发送器和接收器的测量不再相关——收发双方可以通过比对各自测量结果来验证。量子纠缠加密方法的优势在于，以往很难探测到的窃听，在量子世界基本定律下暴露无遗。

量子测量结果随机性的其他应用，还包括制造完全随机数生成器和完全随机密钥等。

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量子技术产业化之路

量子随机数生成器现已实现了市场化，使用该技术的首款手机也已问世。纠缠态所能承载的信息量大得惊人，远多于单个粒子，故量子纠缠也可用于密集编码。

单个粒子只能包含了关于其自身状态的信息，而一群粒子的子集可以无限多，每个子集都包含粒子之间相关性的信息。这种效应允许在量子比特（又称量子位）结构中编码海量信息。标准的计算机二进制位只能取0或1的值，而量子位可以同时取两个值，也可以取0和1的任意组合。

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“量子优势”如何实现？

量子比特将是未来量子计算机的基本组成部分。利用它们的量子特性，特别是纠缠，可以解决复杂的计算问题，使设备的计算速度超过当今最强大的计算机，让计算能力指数级增长。量子比特可以由多种现有材料平台制造，例如超导量子位、原子捕获、离子捕获。未来还会有更多制造手段，比如使用光子量子处理器。

近年来量子比特技术取得了令人瞩目的进展。然而，在量子计算机能使用几十万到几百万个量子位之前，无法形成真正的“量子优势”。当前的技术只能制造出大约一百个量子位的计算机，未来还有很长的路要走。

“当前的技术只能制造出大约一百个量子位的计算机。”

量子技术进一步发展的主要障碍是量子退相干现象：量子位与其环境相互作用，会破坏纠缠。为了避免或者至少限制这种情况，通常有必要在接近0K的温度下操作量子位，保护它们免受环境影响。从原理而言，大规模量子计算机的诞生不存在障碍，但仍有一些实际问题需要解决，比如是否可以从根本上克服退相干，以及一些工艺上的挑战。纵观世界各地，许多国家政府和私人投资者都在斥资寻求解决方案。

在短期内，制造对退相干不太敏感的量子模拟器或许更有前景。量子模拟器可以理解为专用量子计算机，其架构为某些特定任务而优化。量子模拟器特别擅长求解多变量函数的最小值，很适合那些使用且需要优化复杂网络的企业。此类网络包含大量变量，量子模拟器可以以传统计算机无法实现的方式对其进行优化。

发展量子计算所需的大部分技术都已存在，现在的问题是为量子计算寻找有经济效益的应用场景，毕竟它昂贵且耗能高。不过，量子计算可以有极广的应用范围，远超出我们的想象。近年的研究突破有望催生一系列全新、颠覆性的技术。Sanchez-Palencia常提醒学生，不仅要研究量子计算机，还需要研究其辅助配套技术。后者也许微不足道，但对于新型量子技术的萌生不可或缺。

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巴黎综合理工学院的量子技术基础教育

目前，各个层次的学习者都迫切需要接受量子力学科普和教育，而这正是巴黎综合理工学院物理教学多年来的一大工作重点。所有的学生，无论是否有意攻读物理或工科类专业，在入学的第一年都必须完成量子力学相关的学习内容。学校的这份坚持已经产生了积极效应：当前法国许多量子力学领域的初创企业都是由巴黎综合理工学院的毕业生创办的。

图片来源：PI France

为了让学生们做好准备迎接量子技术新发展，巴黎综合理工学院几年前开设了“量子科学与技术”课程，带领学生了解量子物理学最前沿的研究成果，特别是纠缠效应及其应用方式。课程还介绍了基础研究和技术开发的关系：尽管媒体报道中的量子技术神乎其神，但量子物理学仍处于萌芽阶段，需要深入了解、继续开发的内容还有很多。

巴黎综合理工学院的硕士和博士专业与巴黎综合理工大学（IP Paris）的各大学院密切合作，力争从全球各地招募最优秀的生源。硕士一年级的学生能直接加入大学院校的课题组，以加强学习和研究实践的结合。此外，大学院校近日推出了量子力学继续教育课程，专门针对没有相关专业背景的工程技术人员。此类课程还特别适合刚刚涉入量子领域，需要掌握具体技能的企业管理者和产品研发人员，无论是来自中小企业还是大型企业。

巴黎综合理工大学还与巴黎萨克雷大学的萨克雷量子研究所开展重点量子学研究，双方优势互补。在国家层面，去年法国国家科研署新成立了一个量子技术联盟。

作者

Isabelle Dumé

编辑

Meister Xia