【2012年諾貝爾獎】量子計算機的第一步

他們提出了突破性的實驗方法，使測量和操控單個量子體系成為可能。

“若想研究21世紀的計算機——量子計算機，建議你報考物理系。”在一次面向高中生的報告中，北京大學物理系趙凱華教授的話給我留下了深刻的印象。如今，這句廣告味十足的話有了一個成功案例：法國物理學家塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）和美國物理學家戴維·維因蘭（David Wineland），由于“獨立發明和發展了測量和操縱單個粒子的同時，又保持其量子性質的方法”而獲得2012年諾貝爾物理獎。瑞典皇家科學院認為，“他們的突破性方法使該研究領域向著建造基于量子物理的新型超快計算機邁出了第一步”。

勢不可擋的感覺

阿羅什今年68歲，是法國巴黎高等師范學院的教授，也是一位在摩洛哥出生的猶太人。當時他正和妻子往家走，看到有瑞典的號碼打來時，他便意識到“這是真的”，于是在路邊的長椅上坐下來。“這簡直勢不可擋！”阿羅什立刻給兩個孩子和最親密的同事們打了電話，還給一位正在上課的同事發短信說：“課先停一停，馬上回我電話。”阿羅什打算跟孩子和同事在家里開香檳慶祝一下，下午再回辦公室和實驗室。

有趣的是，維因蘭與阿羅什同齡，也是兩個孩子的父親。當時他正和妻子在科羅拉多的家里睡覺，接到電話時已經是凌晨3:30了。“這有點勢不可擋。本來很多人都有可能獲得這個獎。這當然是個驚喜……能和他（阿羅什）分享諾獎我很高興，我和他是老朋友了。”維因蘭已經在美國國家標準技術研究院工作了37年，他是該機構近15年來第4個諾貝爾獎得主。

戴維·維因蘭。 （南方周末資料圖）

不可企及的目標

盡管英特爾最近發布了首款22納米處理器，但物理學家堅持認為，“摩爾定律”不可能無限地維持下去，傳統計算機工業遲早會遭遇量子力學的瓶頸。正如一個聲音振動可以包含不同頻率的諧波，在量子力學看來，微觀粒子的波動可以同時處于不同的基本狀態。在原子內部，電子既在這里，又在那里。“你不知電子究竟在哪里。”紐約市立大學理論物理學教授加來道雄說。邏輯狀態完全依賴于線路中電子流動的傳統計算機面臨著挑戰。

這一挑戰恰恰是量子計算機的巨大優勢。如果粒子的一種基本狀態表示為0，另一種基本狀態表示為1，那么一個粒子就可以同時表示0和1，記作一個量子比特（qubit）。維因蘭曾與別人合作為《科學美國人》撰寫一篇題為“用離子進行的量子計算”的文章，他們寫道：“通常，有N個量子比特的計算機可以同時對2^N個數值進行操作。若每個原子儲存1個量子比特，300個原子所能存儲的數值就會比宇宙中的粒子總數還要多。”在這樣的量子計算機面前，許多現有的電子密碼安全體系將不堪一擊。

然而，粒子一旦與外界環境產生交流，所儲存的信息就會立刻消失，因此量子信息不易長久保存。如果刻意測量單個粒子的量子狀態，人們至多只能隨機地得到其中一個基本狀態，測量的同時也會破壞原先的狀態，因此量子信息無法原封不動地讀取。量子計算機要求人們既要“測量和操控單個粒子”，又不能“破壞其量子性質”。按照瑞典皇家科學院的說法，在此之前這一目標被認為是“不可企及的”。

特別干凈的實驗

“他們的實驗特別干凈，只需要幾個簡單的參數就能完全描述。”清華大學交叉信息研究院的尹璋琦博士說。阿羅什的研究方向叫做腔量子電動力學。他們用高反射的微波腔體制成一個牢籠，用于囚禁特定波長的光子。“腔體內部非常暗，有時只有一個光子。光子在其中不斷反射達0.13秒，這段時間足夠讓光子繞地球一圈了。”于是阿羅什用光子實現了長時間的量子存儲。

接著，阿羅什和團隊讓高度激發的原子以一定速度穿過腔體。通過原子與特定頻率的光子發生的強烈相互作用，阿羅什就達到了一石三鳥的目的。據福州大學“長江學者”、物理與信息工程學院的鄭仕標教授介紹，用這種方法“既可實現對光子系統量子態的操控，也可實現對原子系統量子態的操控，還可實現對光子系統量子態的測量（比如原子穿過微波腔時可‘偷窺’到其中的光子，但又不毀壞它）”。阿羅什在自己的學術主頁說，這種非破壞的方法能讓人直接觀察單個光子的產生和消失，就像在盒子中數彈珠一樣，人們可以一遍又一遍地在腔體中數光子。

量子力學中最著名的思維實驗叫做薛定諤的貓。薛定諤是量子力學的創始人之一，他設想將一只貓、一顆放射性原子和一個毒氣瓶放入一個密閉的盒子中。實驗觀察者打開盒子之前，由于與原子的量子狀態糾纏在一起，貓也會處于“生”與“死”的疊加態中。1996年，阿羅什將這個思維實驗搬進了實驗室。在微波腔體中，一些扮演貓的光子同時在向兩個相反的方向振蕩。阿羅什觀察了這個疊加態向“要么生”“要么死”的混合狀態的轉變過程——這也是量子計算的一個核心議題，叫做“量子退相干”過程。

阿羅什曾于2001年邀請鄭仕標訪問自己的實驗室。據鄭仕標回憶，阿羅什給他的最初印象是“比較嚴肅，但溫文爾雅，很有紳士風度”，多次接觸后又覺得他“比較和藹，平易近人”。為了用實驗驗證鄭仕標的理論方案，阿羅什曾安排他做了一次學術報告。學術報告中的阿羅什“思維敏銳，具有很強的洞察力，能一下子抓住問題的本質”。

電場囚禁，激光冷卻

為了制造“特別干凈”的系統，維因蘭借鑒奧地利物理學家希拉克（J.Cirac）和佐勒（P.Zoller）的想法，用四根平行柱子間的交變電場制成一個“深井”，然后將一串離子（即帶電的原子）困在其中，這便是離子阱技術。接著，維因蘭用激光將離子冷卻到振動能量最低的狀態。靜電排斥力使得離子的運動狀態有所關聯。于是，維因蘭就實現了一個“量子門”（即按照一定規則將輸入值轉化為輸出值的裝置）。與傳統計算機中的門電路一樣，量子門將是量子計算機的基本結構。目前，2個量子比特的量子門的準確度約為99%，這距離量子計算機要求的99.99%還有一定距離。

維因蘭早在1978年就實現了光冷卻離子的技術，比朱棣文等人獲得1997年諾貝爾獎的“激光冷卻原子”的實驗還要早。維因蘭的博士導師，原子鐘的發明者拉姆齊是1989年的諾獎得主之一。維因蘭用離子阱技術在實驗室中制造了比原子鐘更加精密的時鐘。據《紐約時報》報道，在宇宙137億年的歷程中，基于鋁離子的光學時鐘的誤差僅為5秒。“從歷史上看……時鐘越準，我們的導航就越好。”維因蘭在接受諾貝爾官方媒體的采訪時說。

“與阿羅什的系統相比，維因蘭的系統在多原子糾纏操控及量子邏輯操作方面更有優勢。”鄭仕標直言不諱地指出。

尹璋琦進一步補充道，“主流觀點認為阿羅什基于光子的量子存儲不可能用于實際的量子計算機。”不過他認為，后人發展出的電路量子電動力學，即腔量子電動力學的“進化加強版”，或許可以勝任這份工作。這種技術和離子阱技術可能存在某種競爭關系，這不禁讓人想起計算機嶄露頭角時，電子管和晶體管技術的種種往事。“關于誰會勝出，目前還沒有定論。”

從計算機邏輯模型的提出到自動計算機ACE的建成用了21年的時間。鄭仕標認為，“目前量子計算機還處在一個很初步的研究階段，離真正具有實用價值的量子計算機還有很長的路要走，無法預測其何時能進入商用領域”。

“這將是一個漫長的過程，”維因蘭說，“我們還未在量子計算方面取得突破，不過對于某些問題來說，希望已經出現。”

希格斯，來年見

此前，英國理論物理學家希格斯的得獎呼聲很高。希格斯于1964年時提出了一種新的量子場，能夠為許多種基本粒子賦予質量。2012年7月4日歐洲核子中心宣布，他們在大型強子對撞機實驗中發現了一種新的粒子，很像希格斯理論預言的希格斯玻色子，置信度達到5個標準偏差。希格斯拒絕了我在開獎前的采訪。歐洲核子中心新聞處的哈夫納（J.Haffner）則在諾獎揭曉前3小時回應說，若想斷言這種粒子究竟是不是希格斯玻色子，還需要進一步測量它的自旋，以及它所有的衰變模式。

希格斯未能獲獎也許并不像此前許多人預測的那樣，是因為瑞典皇家科學院的保守傳統。英國皇家物理學會的奈特爵士（Sir Peter Knight）解釋說，這可能是因為歐洲核子中心宣布實驗結果時已錯過諾獎名單的擬定程序。“如果明年瑞典皇家科學院對這項研究看得更加深入，我一點也不會驚訝。”