【2012年诺贝尔奖】量子计算机的第一步

他们提出了突破性的实验方法，使测量和操控单个量子体系成为可能。

“若想研究21世纪的计算机——量子计算机，建议你报考物理系。”在一次面向高中生的报告中，北京大学物理系赵凯华教授的话给我留下了深刻的印象。如今，这句广告味十足的话有了一个成功案例：法国物理学家塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）和美国物理学家戴维·维因兰（David Wineland），由于“独立发明和发展了测量和操纵单个粒子的同时，又保持其量子性质的方法”而获得2012年诺贝尔物理奖。瑞典皇家科学院认为，“他们的突破性方法使该研究领域向着建造基于量子物理的新型超快计算机迈出了第一步”。

势不可挡的感觉

阿罗什今年68岁，是法国巴黎高等师范学院的教授，也是一位在摩洛哥出生的犹太人。当时他正和妻子往家走，看到有瑞典的号码打来时，他便意识到“这是真的”，于是在路边的长椅上坐下来。“这简直势不可挡！”阿罗什立刻给两个孩子和最亲密的同事们打了电话，还给一位正在上课的同事发短信说：“课先停一停，马上回我电话。”阿罗什打算跟孩子和同事在家里开香槟庆祝一下，下午再回办公室和实验室。

有趣的是，维因兰与阿罗什同龄，也是两个孩子的父亲。当时他正和妻子在科罗拉多的家里睡觉，接到电话时已经是凌晨3:30了。“这有点势不可挡。本来很多人都有可能获得这个奖。这当然是个惊喜……能和他（阿罗什）分享诺奖我很高兴，我和他是老朋友了。”维因兰已经在美国国家标准技术研究院工作了37年，他是该机构近15年来第4个诺贝尔奖得主。

戴维·维因兰。 （南方周末资料图）

不可企及的目标

尽管英特尔最近发布了首款22纳米处理器，但物理学家坚持认为，“摩尔定律”不可能无限地维持下去，传统计算机工业迟早会遭遇量子力学的瓶颈。正如一个声音振动可以包含不同频率的谐波，在量子力学看来，微观粒子的波动可以同时处于不同的基本状态。在原子内部，电子既在这里，又在那里。“你不知电子究竟在哪里。”纽约市立大学理论物理学教授加来道雄说。逻辑状态完全依赖于线路中电子流动的传统计算机面临着挑战。

这一挑战恰恰是量子计算机的巨大优势。如果粒子的一种基本状态表示为0，另一种基本状态表示为1，那么一个粒子就可以同时表示0和1，记作一个量子比特（qubit）。维因兰曾与别人合作为《科学美国人》撰写一篇题为“用离子进行的量子计算”的文章，他们写道：“通常，有N个量子比特的计算机可以同时对2^N个数值进行操作。若每个原子储存1个量子比特，300个原子所能存储的数值就会比宇宙中的粒子总数还要多。”在这样的量子计算机面前，许多现有的电子密码安全体系将不堪一击。

然而，粒子一旦与外界环境产生交流，所储存的信息就会立刻消失，因此量子信息不易长久保存。如果刻意测量单个粒子的量子状态，人们至多只能随机地得到其中一个基本状态，测量的同时也会破坏原先的状态，因此量子信息无法原封不动地读取。量子计算机要求人们既要“测量和操控单个粒子”，又不能“破坏其量子性质”。按照瑞典皇家科学院的说法，在此之前这一目标被认为是“不可企及的”。

特别干净的实验

“他们的实验特别干净，只需要几个简单的参数就能完全描述。”清华大学交叉信息研究院的尹璋琦博士说。阿罗什的研究方向叫做腔量子电动力学。他们用高反射的微波腔体制成一个牢笼，用于囚禁特定波长的光子。“腔体内部非常暗，有时只有一个光子。光子在其中不断反射达0.13秒，这段时间足够让光子绕地球一圈了。”于是阿罗什用光子实现了长时间的量子存储。

接着，阿罗什和团队让高度激发的原子以一定速度穿过腔体。通过原子与特定频率的光子发生的强烈相互作用，阿罗什就达到了一石三鸟的目的。据福州大学“长江学者”、物理与信息工程学院的郑仕标教授介绍，用这种方法“既可实现对光子系统量子态的操控，也可实现对原子系统量子态的操控，还可实现对光子系统量子态的测量（比如原子穿过微波腔时可‘偷窥’到其中的光子，但又不毁坏它）”。阿罗什在自己的学术主页说，这种非破坏的方法能让人直接观察单个光子的产生和消失，就像在盒子中数弹珠一样，人们可以一遍又一遍地在腔体中数光子。

量子力学中最著名的思维实验叫做薛定谔的猫。薛定谔是量子力学的创始人之一，他设想将一只猫、一颗放射性原子和一个毒气瓶放入一个密闭的盒子中。实验观察者打开盒子之前，由于与原子的量子状态纠缠在一起，猫也会处于“生”与“死”的叠加态中。1996年，阿罗什将这个思维实验搬进了实验室。在微波腔体中，一些扮演猫的光子同时在向两个相反的方向振荡。阿罗什观察了这个叠加态向“要么生”“要么死”的混合状态的转变过程——这也是量子计算的一个核心议题，叫做“量子退相干”过程。

阿罗什曾于2001年邀请郑仕标访问自己的实验室。据郑仕标回忆，阿罗什给他的最初印象是“比较严肃，但温文尔雅，很有绅士风度”，多次接触后又觉得他“比较和蔼，平易近人”。为了用实验验证郑仕标的理论方案，阿罗什曾安排他做了一次学术报告。学术报告中的阿罗什“思维敏锐，具有很强的洞察力，能一下子抓住问题的本质”。

电场囚禁，激光冷却

为了制造“特别干净”的系统，维因兰借鉴奥地利物理学家希拉克（J.Cirac）和佐勒（P.Zoller）的想法，用四根平行柱子间的交变电场制成一个“深井”，然后将一串离子（即带电的原子）困在其中，这便是离子阱技术。接着，维因兰用激光将离子冷却到振动能量最低的状态。静电排斥力使得离子的运动状态有所关联。于是，维因兰就实现了一个“量子门”（即按照一定规则将输入值转化为输出值的装置）。与传统计算机中的门电路一样，量子门将是量子计算机的基本结构。目前，2个量子比特的量子门的准确度约为99%，这距离量子计算机要求的99.99%还有一定距离。

维因兰早在1978年就实现了光冷却离子的技术，比朱棣文等人获得1997年诺贝尔奖的“激光冷却原子”的实验还要早。维因兰的博士导师，原子钟的发明者拉姆齐是1989年的诺奖得主之一。维因兰用离子阱技术在实验室中制造了比原子钟更加精密的时钟。据《纽约时报》报道，在宇宙137亿年的历程中，基于铝离子的光学时钟的误差仅为5秒。“从历史上看……时钟越准，我们的导航就越好。”维因兰在接受诺贝尔官方媒体的采访时说。

“与阿罗什的系统相比，维因兰的系统在多原子纠缠操控及量子逻辑操作方面更有优势。”郑仕标直言不讳地指出。

尹璋琦进一步补充道，“主流观点认为阿罗什基于光子的量子存储不可能用于实际的量子计算机。”不过他认为，后人发展出的电路量子电动力学，即腔量子电动力学的“进化加强版”，或许可以胜任这份工作。这种技术和离子阱技术可能存在某种竞争关系，这不禁让人想起计算机崭露头角时，电子管和晶体管技术的种种往事。“关于谁会胜出，目前还没有定论。”

从计算机逻辑模型的提出到自动计算机ACE的建成用了21年的时间。郑仕标认为，“目前量子计算机还处在一个很初步的研究阶段，离真正具有实用价值的量子计算机还有很长的路要走，无法预测其何时能进入商用领域”。

“这将是一个漫长的过程，”维因兰说，“我们还未在量子计算方面取得突破，不过对于某些问题来说，希望已经出现。”

希格斯，来年见

此前，英国理论物理学家希格斯的得奖呼声很高。希格斯于1964年时提出了一种新的量子场，能够为许多种基本粒子赋予质量。2012年7月4日欧洲核子中心宣布，他们在大型强子对撞机实验中发现了一种新的粒子，很像希格斯理论预言的希格斯玻色子，置信度达到5个标准偏差。希格斯拒绝了我在开奖前的采访。欧洲核子中心新闻处的哈夫纳（J.Haffner）则在诺奖揭晓前3小时回应说，若想断言这种粒子究竟是不是希格斯玻色子，还需要进一步测量它的自旋，以及它所有的衰变模式。

希格斯未能获奖也许并不像此前许多人预测的那样，是因为瑞典皇家科学院的保守传统。英国皇家物理学会的奈特爵士（Sir Peter Knight）解释说，这可能是因为欧洲核子中心宣布实验结果时已错过诺奖名单的拟定程序。“如果明年瑞典皇家科学院对这项研究看得更加深入，我一点也不会惊讶。”