从灯泡到电脑——量子百年奇迹

从灯泡到电脑——量子百年奇迹

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冯俊源

2024-07-07

探索量子物理的奇妙旅程，从点亮灯泡到电脑的飞跃，量子这个百年科学奇迹会如何塑造未来，又面临哪些挑战？

五月末，副总理王瑞杰于新加坡亚洲科技展（Asia Tech x SG）的 ATxSummit 活动开幕式上，宣布新加坡首个全国量子策略（National Quantum Strategy），由国立研究基金会（National Research Foundation）管理的“研究、创新与企业2025计划”（RIE 2025）出资2亿9550万元，在接下来五年发展量子科技。自2002年迄今，新加坡已在量子科技方面投入超过7亿元。

量子科学发展逾百年

量子（quantum）的概念起源于物理学，泛指物理性质的最小理论单位，主张宇宙中所有的物理性质和交互作用都能以其独特的最小单位来测量和计算。举一个日常生活中的例子，目前本地流通的硬币最小单位是五分，商家和顾客们只能以这个最小单位及其整数倍（一、二、三倍等，没有小数位的数字）的币值来交易。在量子物理的世界中亦然，质量、能量等都有一个最小、最基础且不可分割的单位。

量子物理在科学课本上通常归类于近代物理（modern physics）的篇章中，虽说是近代物理，量子科学的发展也已有100多年的历史。相对于近代物理，古典物理（classical physics）包括在20世纪前已被发展的牛顿力学、热力学、电动力学等物理领域。古典物理在文艺复兴和工业革命的人类进程中做出了无远弗届的贡献。以测量光速而闻名的物理学家迈克耳孙（Albert Michaelson）曾指出，物理学的基本原则都已创立及证实，未来的物理工作者只能测量更精准的数字罢了，不会再有新的理论出现。

物理理论里一朵乌云

量子力学恰逢在这世纪之交横空出世。为了满足人们在夜里照明的需要，电灯泡的研究曾是19世纪末的工业难题。一个物体（比如灯泡）在一定的温度下，会产生一个特定的电磁光谱（electromagnetic spectrum）。在古典物理的理论下，光谱频率越高能量就越高，且趋向无穷大。当然，能量在已知的真实世界中是有限的，因此理论推论的结果和实验相悖。这一矛盾现象被称为“紫外灾变”（ultraviolet catastrophe），也被大科学家开尔文勋爵（Lord Kelvin）喻为物理理论里的一朵乌云。

许多当代的物理学家苦心钻研这一难题。1900年，德国物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）在德国物理学会的会议上提出能量量子化（quantisation）的假说：能量只能以不可分的能量单位（即量子）的形式向外辐射，并且和辐射频率成正比。这看似微不足道的假设，普朗克当时并不以为然，然而从今日的角度看来，这不啻是20世纪物理界的破天荒发现。普朗克以此发现荣获1918年的诺贝尔物理奖。

普朗克葬于德国格丁根，墓碑上除了姓名之外，下方还刻了量子物理的重要常数——普朗克常数。（互联网）

普朗克所发现的辐射公式，完美解决了紫外灾变的难题，理论结果也和实验数据十分吻合。接着的数十年中，量子物理的研究就犹如雨后春笋般遍地开花。在被誉为“奇迹之年”的1905年，爱因斯坦的其中一篇有关光电效应的论文，解释了光子（光的量子）和其能量的关系以及金属遇光而发电的现象。其他的科学巨擘，包括改良原子模型的尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）、发展量子物理的数学理论的维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）和埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）等一众科学家们，在一战和二战的烽火中发展了量子物理的理论基础。

量子电脑运算速度超快

量子科学的发展，从当初纸笔上的理论研究演变成今日的新兴工业。如前文所述，王瑞杰副总理指出：“量子在开发药物、优化投资、加密系统等各个领域都能广泛运用”。这些例子转为现实都要依仗于量子技术最有潜力的应用之一——量子电脑。

在普通电脑和电子技术中，集成电路里数以亿计的晶体管（transistor）以“0”和“1”（关与开的状态，也称为位元（bit））的形式计算，晶体管的数量越高，计算速度就越快。英特尔（Intel）创办人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）曾在1965年大胆预言：集成电路上的晶体管数量每18个月就会翻倍。这个俗称“摩尔定律”的观测驱动了电脑和电子科技的发展。随着晶体管的体积越来越小，量子效应越来越显著，因此晶片制造商需要以量子物理的角度重新研制未来的晶片。

一片8位元的晶片，用于储存数据。（Creative Commons）

量子电脑有别于传统电脑的特点是以量子位元（qubit）的形式来存储数据和计算。普通位元只能以“0”或“1”的形态存在，两态不能同时存在。比如说，日常的电源开关只能开启或是关闭。反之，一个量子位元的状态则既能是“1” 又能是 “0” ——电源开关既是开着的又是关闭的状态。数学上称作 “线性叠加” (linear superposition）。这看似矛盾百出的量子性质，薛定谔曾于1935年将之比喻成一只关在密封箱子里的猫，若量子理论是真实的，那猫活着和死亡的状态必然互相叠加，又生又死，测量的结果取决于量子态的概率。

薛定谔的猫假想图，猫在充满辐射物质的箱里生死未卜。（Creative Commons）

如前所述，量子神行百变的功夫，让一个量子位元能够表示和运算多种状态。通过特别的运算法，量子电脑能够操作和运算多个量子，比传统电脑的运算速度快上千万倍。其中一个有名的量子演算法是由美国电脑科学家彼得·秀尔（Peter Shor）于1994年时提出的，用来计算质因数的分解（比如14=2x7，2和7是14的因数，而2和7本身是质数），运算速度比起传统的运算法更快。这意味着许多采取质因数来加密的网站和网络讯息，包括最为普遍的RSA加密算法，有朝一日也会被量子电脑轻松破解。

虽然前述耸人听闻，但量子电脑仍然有着不少局限。首先，量子电脑最大的优点是运算速度，但是若没有已在数学上证实的量子运算法，一切只是空谈。如果采用传统电脑的计算方式，量子电脑的表现可能更会落在后头。因此，全国量子策略的重点之一是在五年内培养200名量子物理博士和硕士，进行有关的理论研究。另一个难度是实践难度。量子位元很容易和环境产生互动，储存的资讯会流失到环境里，因此失去量子的性质。如何保证多枚量子不被干扰，并能进行资讯的输入输出和计算，是任何对量子科技有兴趣的国家和机构都必须面临的巨大挑战。