量子，匪夷所思但不“高冷”(2)

在游戏中，有人可能想要观测这些量子保龄球到底是从哪条缝隙过去的。这个时候一个更奇怪的现象就出现了，如果没有观测的话，多条纹状的量子现象才会出现。一旦有了观测，量子现象则会消失。也就是说，是否观测量子系统会反过来影响物理系统本身的状态。

这种量子现象也让很多物理学家感到惊诧，例如薛定谔。为此他提出了“薛定谔的猫”假想实验：如果微观世界相干叠加的限制可以转移到宏观物体，比如盒子中的一只猫，那么一只猫可以处于又死又活的状态。直到打开盒子进行观测，盒里的猫会随机坍缩到死或活的状态。

爱因斯坦认为，量子坍缩的随机性是由于人类对物理世界的认识不够完整，未能发现隐藏的变量而导致的。1935年，他和另外几位科学家提出了量子纠缠的概念，这也是经典物理学世界中没有的奇怪现象。量子世界中，两只“薛定谔猫”如果处于纠缠态，无论它们被分离得有多远，甚至一只在地球上，一只在月球上，它们的状态都是关联的。华人女科学家吴健雄第一次在实验上做出了量子纠缠。

这种量子随机性也为科学家们提供了量子加密的可能性。在单光子传输过程中，如果有人窃听，那么窃听行为会不可避免地使通信载体产生变化，这种变化必然会被察觉。科学家们希望利用物理学中一些可观测的效应，来解决传统信息技术中的一些问题。

第二次量子革命催生出量子通信、量子计算和量子精密测量等多项成果。在远距离量子通信方面，我国目前领先于欧洲和美国5年以上，特别是我国在2016年8月16日成功发射世界首颗量子科学实验卫星——墨子号，并实现了千公里量级的量子通信。2022年诺贝尔奖颁奖委员会在介绍获奖者的工作时，也提到了由中国科学家主导完成的洲际量子通信实验。

量子计算机：

展示了新的可能性

量子计算是后摩尔时代的一种新的计算范式，有望解决经典计算机无法完成的高复杂度计算难题。然而，从费曼提出量子计算概念以来，整个领域40多年面临的一个难题是：真正在技术上造出量子计算原型机，对特定问题的求解实现超级计算机无法比拟的算力。这个历史性里程碑目标被称为“量子计算优越性”，成为了国际激烈角逐的焦点。

量子计算机的国际竞争极其激烈，谷歌团队从2014年开始，砸下10亿美元，从加州大学挖走整个团队，在此基础上组建了200人的大团队。2019年年底，谷歌宣布成功设计、构建了名为“悬铃木”的53量子比特处理器。

面对这一强敌，笔者与同事组建了主要由“90后”和“95后”构成的团队，利用不到谷歌1%的经费，完成了从理论创新到关键技术的攻关，突破了高性能量子光源、超低损耗量子线路和量子探测等核心技术。2020年，中国科学技术大学研究团队设计和构建的76个光子量子计算原型机“九章”诞生。研究显示，“九章”等效地比“悬铃木”快100亿倍。

随后，从激光概念得到启发，研究团队尝试通过受激辐射把量子光放大。2021年，113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”诞生。“九章二号”求解高斯玻色取样数学问题比目前全球最快的超级计算机快亿亿亿倍。2023年10月，255个光子的量子计算原型机“九章三号”，再度刷新了光量子信息的技术水平和“量子计算优越性”的世界纪录。