1.   序言


      关于制造量子计算机(Quantum Computer )的报道，近年来在世界各地的许多学术会议、各种语言的媒体及网络上有着大量的报道和讨论。从这些文章及报道来看，主要是偏重于报道量子计算机（某些硬件及软件）工程研究及制造的进展。鲜有文章从工程和量子力学基础理论相结合的角度进行量子计算机研究制造的可行性分析。


       这篇文章的目的就是试图从工程和量子力学基础理论相结合的角度来探讨一下目前构想的量子计算机制造的可行性，即人类能否真正最后成功地制造出可以投入到实用的量子计算机，从而把人类社会文明向前推进一步。因为如果在人类投入了大量的金钱和时间以后，到最后反而制造不出来量子计算机，那么，量子计算机将会成为人类历史上的第二个“永动机”，将是人类的又一巨大损失。


       在此首先声明，


       第一，作者对多年来世界各国从事量子计算机理论研究和制造的科学家和工程师们充满了敬意，决无冒犯之意；


       第二，本文的观点仅仅是作者的一家之言。只是本着实事求是的科学态度表达一下作者自己的看法及观点；


       第三，作者尽量用非专业语言和词汇来描述量子计算机及量子力学，但有些地方仍难以避免使用某些专业术语，望广大读者予以谅解为盼。


2.   量子力学学派的分组


       在开始讨论量子计算机之前，我们首先把量子力学理论做一个简单的划分。这种划分主要是根据不同的物理学家对量子力学的观点而加以划分，别无其他。


       基于这个标准，量子力学理论大略的可划分成二个组：


       第一组主要是由玻尔、海森堡和玻恩为代表的哥本哈根学派。他们对早期的量子实验进行了理论分析和总结，叫作哥本哈根量子力学的诠释或解释，英文叫做Interpretation。在中文里面，“诠释”和“解释” 是略有不同的。前者的地位高于后者，有“正宗” 或者“主流”的意思在里面。


       第二组主要是以爱因斯坦、薛定谔和德布罗意为代表的另一部分物理学家对早期的量子实验进行的理论分析和总结。


       这六人均为诺贝尔物理学奖获得者，都对量子力学的发展做出过巨大的贡献。因此，他们均在同一个档次上。


       第一组的理论和第二组的理论异多同少，而且在许多基本方面是相矛盾的。


       例如，著名的薛定谔猫就是第二组的成员薛定谔发展了爱因斯坦的思想而提出的一个思想实验来反对第一组的理论的。


       再例如，今天很热的量子纠缠这个概念就是来自于第二组的成员们。实际上，量子纠缠思想实验， 或叫EPR思想实验，是第二组的著名物理学家爱因斯坦及二位助手首先提出来, 后又经薛定谔发展后反对第一组理论的。


       关于第一组和第二组理论的差别异同，本文不想作进一步的讨论。有兴趣的读者可以直接阅读有关文章书籍，包括中文版本或者英文版本。如果可能的话，建议直接阅读德文版本。


       根据这种划分方法，整个量子力学的理论实际上是由二部分组成：第一组的理论（哥本哈根学说）和第二组的理论（不妨暂把它称之为爱因斯坦和薛定谔学说）。


      如果用公式表示，那么可以写成如下的一个公式：


      量子力学理论=哥本哈根的理论+ 爱因斯坦/薛定谔学的理论


      基于上述公式，哥本哈根学派的理论只是量子力学学派中的一个学派，不能代表整个量子力学的理论。用现在网络语言描述的话，它只是一个“之一”。


     特别应该指出的是，由于不严格地对上述二组的理论加以区分，对量子力学的科学教学和普及造成了很大的困扰。


     例如，当人们谈论量子力学时，总是想当然的认为哥本哈根学说就代表了整个量子力学，哥本哈根学派的理论是量子力学的正宗。目前的量子力学教科书里（中文或英文），在讲解量子理论时，多数都遵循哥本哈根学说并且把它当作量子力学的正宗解释。但是，这个所谓的正宗解释在量子力学及科学中的地位越来越像一个宗教，不仅不容质疑，甚至还到了对学生们进行强制洗脑的地步。例如，在量子力学教学中经常出现面对学生们提出的哥本哈根学派的问题时，教授们常常避免正面回答，甚至告诫学生“别多问，只管算！”。即便哥本哈根学派不能“解释”它为什么是这样的，只能“告诉”你它是这样的。例如，面对著名的双缝实验和波粒二象性，只能用既是、又是来表达。


     因此，当谈及量子力学时，最好应该对此加以区别。例如，当有些文章谈到量子力学的理论指引工程发展取得了巨大进展的成功时，由于不具体指出是那个学派的理论，很多人想当然地认为是哥本哈根学派理论的成功。可实际上却不是。


量子计算机概念的由来


       1981年, 第一届国际计算物理会议在著名的大学MIT 举行。在会议期间，美国著名理论物理物学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼提出利用量子体系来实现通用计算的新奇想法。他认为，如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少。在第二年，即1982年，国际理论物理杂志，《International Journal of Theoretical Physics》，请参看参考文献（1），出版了费曼在该次会议上作的题为 “Simulating physics with computers” 的报告。因此，量子计算机的概念诞生了。


       在这里应该着重说明的是，费曼是基于哥本哈根学派的学说提出量子计算机这个概念的。即基于哥本哈根的叠加态理论上提出量子计算机概念的。在上一部分，我们已经说明了哥本哈根学派只是量子力学的一个学派，并且这个学派的基础是受到爱因斯斯坦和薛定谔学说挑战的。特别是，著名的薛定谔猫就是挑战这个理论的。因此，量子计算机的基础理论依据是不牢固的，并不是完全建立在无懈可击的实验基础之上的，只是建立在某个学派的假设之上的。


量子计算机的发展 


        从费曼提出量子计算机概念之后，某些国家、大学或实验室, 特别是近年来,许多大的国际跨国公司都在量子计算机领域进行了投资。当然，大家是用不同的量子物理体系来构造量子计算机。如光子的两个正交的偏振方向；磁场中电子的自旋方向；核自旋的两个方向；原子中量子处在的两个不同能级等。总之，各种途径都在探索。就目前来说，哪一种物理体系更加适合于做量子计算机，还没有一个确定的答案。但是不论采用何种途径，最基本的一点是相同的：这些构想中的量子计算机最本质的特征都是使用了量子的叠加性。


        根据到目前为止所发表的论文及报告来看，人们构造中的量子计算机，从原理上来讲类似于经典计算机：它也是一种要进行逻辑运算、存储和处理信息的物理装置。不同的是这个物理装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法。


量子计算机原理的简单概括


        为了了解量子计算机的工作原理，现以经典计算机为基础加以简单地工程解释。


         经典计算机：经典计算机是二进制数系统 并且是以计算机中的基本单元（比特）来进行运算。 每个“0”或“1”就是一个基本单元。基本单元是数据存储的最小单位。换句话说，一个经典基本单元在一个确定的时间里只能有一个确定的”0”或“1”的状态。注意这里的“或”字。


        量子计算机：根据目前人们的构想，量子计算机也是二进制数系统 ，并且是以计算机的基本单元（量子比特）来进行运算。在每一个量子基本单元中，可以同时保存“0”和“1”的状态。 注意这里的“同时”和 “和”字。


        经典计算机和量子计算机的差别就在于，经典计算机的基本单元在一确定的时间仅能存储“0”或“1”其中一个；而量子计算机的基本单元能同时存储“0”和“1”。两种计算机的差距就是“或”和“和”的差别：
经典计算机：“0” 或 “1”；
量子计算机：“0” 和 ”1”。


        那么可以简单的计算一下，在经典计算机中，如果有K个经典基本单元，它只可以同时保存K个单位信息；在量子计算机中，对于K个量子基本单元，它们却可以同时保存2^K个单位信息。随着量子基本单元数量的增加，其信息数量便可以迅速增大。


       要用量子计算机实现量子计算，也必须像经典计算机一样，用三个步骤完成其计算：


第一步是必须构造出一个量子基本单元；


第二步是对量子基本单元进行操控，让 “0” 和 “1” 状态同时存在；


第三步，需要把K个相同的量子基本单元组合起来，构成一个量子计算系统, 从而实现量子计算机的超级计算能力。


所以，量子计算机不是只含有一个量子基本单元，它是含有多个量子基本单元结合在一起的物理系统。


         构建量子计算机最难的是第一步，即必须构造出一个量子基本单元。这个单元必须让“0” 和“1” 状态同时存在。注意，这里要求必须 “同时” 存在！如果不是“同时”存在，那么，这就不是量子基本单元，而是经典基本单元。


         在第二步，人们构想用 量子处理器来操作以实现对每个量子基本单元的构造和操控。它要求在量子基本单元中，“0”和“1”必须同时存在，即人工形成量子叠加态而且要保持稳定。如果 “0” 和 “1” 不能同时存在，那么，这种量子计算机的精度再高，它本质上还是经典计算机。


         读者们可能有时会从网络上看到某些报道，称已经做出了几千量子基本单元的量子计算机等等。这给人们产生了一种好像马上就造出来量子计算机的印象，让人倍感鼓舞。实际上，这是构造量子计算机的第三步，它在构建量子计算机的三步曲中是最容易实现的。即不论造出来的量子处理器是否符合的标准，先大量生产再说！


        现在我们用量子力学理论的术语来进行表述量子计算机的原理：


经典计算机的基本单元中（经典比特）没有叠加态，经典比特只能为 “0” 或者“ 1”。量子计算机的基本单元（量子比特）是一种量子叠加态，它是同时具有“0” 和 “1” 的量子叠加态的一个基本单元，即一个量子比特能够同时包含 “0”和 “1” 的信息。对叠加的量子比特进行操作，便能够同时完成对 “0” 和 “1” 的操作。这样随着量子比特在量子计算机中数量的增长，量子计算机能处理的信息将呈指数增长。


       总结上述的工程描述和理论表述可以看出，量子计算机能否实现，最关键的一点就是能否构造出一个合格的、稳定的量子基本单元。再进一步说，就是能否制造出一个保持稳定叠加态的量子处理器。这样，量子叠加态就成了决定量子计算机能否成功的关键因素。


       因此，制造量子计算机这个工程上的宏观问题就转化成了一个量子力学基础理论上的一个微观问题。




量子叠加态的基础理论问题


       根据上面的讨论，量子计算机的制造问题从工程问题变成了基础理论问题，从宏观问题变成了微观问题。


       现在，在构造量子计算机前，我们必须回答一个最基础的问题，那就是，量子的叠加态是否真的存在。如果存在，这意味着无论多久，人类一定能造出量子计算机。即便造出的第一台原型量子计算机是多么的粗糙，计算过程和结果是多么的不稳定，但我们相信，通过不断的改进，最后一定能造出让人类满意的量子计算机。可是，如果量子叠加态不存在，那么量子计算机将会成为第二个永动机，永远不可能成功。


       为了深刻理解量子比特的叠加态，必须回到量子力学的最基本的理论中去理解它的来龙去脉。


      前面已经说了，量子计算机的概念是基于量子力学中的哥本哈根学派的解释。这个解释主要是由玻尔、海森堡和玻恩提出并总结。哥本哈根解释包含了至少如下几个重要的观点。


一个量子系统的量子叠加态可以用薛定谔方程中的波函数来表述，波函数的描述是概率性函数。一个粒子的位置和动量无法同时被确定。物质具有波粒二象性。一个实验可以展示出物质的粒子行为，或波动行为；但不能同时展示出两种行为，这是互补原理。


      由于没有足够的实验支持，而且其理论的表述内容令人疑惑，特别是根据其理论而推出的某些推论更是让人怀疑，因此，有众多的量子物理学家对于哥本哈根学派充满了怀疑和不信任。这些人物中有很多杰出的人物。这些杰出的人物是以爱因斯坦、薛定谔、德布罗意等一些著名的科学家们为代表的。例如，薛定谔提出了薛定谔方程，但是，他本人坚决反对哥本哈根学派对其方程的概率解释。


       虽然某些数学家们帮助哥本哈根解释建立了在数学意义上相对严密的体系，但是由于缺乏足够的物理实验支持，这种所谓的严密数学体系并不能代表着完美的物理解释。


       其实，哥本哈根学派的解释真正惹人争议的地方之一就是在于量子叠加态的存在。


     下面举二个例子来说明量子叠加态存在是否的问题。


例子 1


     很多读者都知道，在量子力学发展史上，薛定谔尝试着用一个猫来说明哥本哈根解释中量子叠加态的不确定之处。


     薛定谔的猫（Schrödinger's Cat）是关于微观世界中量子叠加态的一个思想实验。关于这个实验虽然已经有很多科普文章讲解了，可是作者建议有兴趣的读者自己去读一下并作出自己的判断。


     在这个思想实验中，按照哥本哈根的解释，容器中的猫处于 “死－活” 叠加态。也就是说，这个猫既是死的也是活着的！要等到打开容器看猫一眼才能决定其生死。请注意，不是发现而是决定。杀死这个猫不用任何的武器，仅仅看一眼就足以杀死。


     这个思想实验使微观叠加态变成了宏观上的不确定。这个既活又死的猫的叠加态违背了客观规律、逻辑思维和人类日常生活的感觉。因此，薛定谔用这个思想实验说明了微观中的量子叠加态并不存在。历史上，这个思想实验得到了爱因斯坦的背书。


     从逻辑上来说，如果接受了薛定谔猫的实验，那么就承认了哥本哈根学派中的量子叠加态不存在。如果接受了哥本哈本的解释，就是承认了在我们日常生活中至少有一个既死又活的猫。这完全违反了我们的日常生活的观察结论。


     哥本哈根学派的创始人及拥护者曾经辩解说，微观世界和宏观世界是不同的。那么问题来了，如果说微观世界和宏观世界是不同的，人类就应该有二个不同的逻辑思维的基本原则：一个是微观世界的逻辑思维原则，一个是宏观世界的逻辑思维原则。可是，又一个问题出现了：区别微观世界和宏观世界的标准是是什么？这个区别的标准是微观的还是宏观的？难道是既是微观的又是宏观的叠加态？


     虽然有些实验号称做出了薛定谔猫，即产生了量子叠加态。但是，当认真阅读这些论文的时候会发现，这些实验均存在漏洞或者不严密，因为叠加态的存在要求二种状态同时存在，无时间间隔的问题。


例子 2


      在2019年6月，几个研究量子力学的科学家们在2019年6月发表了一篇论文。中文媒体称之为耶鲁大学的实验。他们报告了他们所进行的实验。论文首先发表在2019年6月3日的在线版《自然》期刊上。后来这项新研究发表在《物理评论研究》2020 年9月29号，请看参考文献（2）。


     虽然对这个实验的结果有不同的理解和解释，但是实验的结果严重地动摇了哥本哈根学派的基柱性教条之一，即量子行为的概率性，支持了爱因斯坦和薛定谔学说，在一定程度上支持了爱因斯坦的明言“ 上帝不会掷骰子”。


　 在这个实验中，研究人员首次揭示了量子跃迁的微妙行为，表明在量子系统中，部分行为是可以预测的，不完全是随机性的。有兴趣的读者可以直接阅读论文的原文，见参考文章2）。


      这个结果和哥本哈根学派的解释是有矛盾的，因为哥本哈根学派认为量子系统的的行为完全是随机的，不可预知的。这就好像哥本哈根学派说一张纸全是白色的，没有黑色。可是这个实验表明，这个纸并不全是白色的，有一部分是黑色的。


      另外，量子从一种状态跃迁到另一种状态是需要时间的，实验的二种状态不能同时存在。也就是说，至少在这个实验中，量子的叠加态并没有被发现。




7 ） 结论和讨论


a. 这篇文章是从工程和基础理论的角度来考虑量子计算机的制造问题。通过讨论量子计算机的基本单元，把一个宏观工程问题（量子计算机的工程制造问题）转化成一个基础理论的微观问题（量子系统的叠加态问题）。通过分析认为，现在人类所构想的量子计算机，即以量子力学中哥本哈根学派中的叠加态为根据的量子计算机，是不可能造出来的，这种量子计算机将会是人类历史上的第二个“永动机”。




a.  现在在制造量子计算机过程中遇到了量子的严重不稳定的问题。为什么会有这个问题？原因其实很简单，因为在微观世界里根本就没有叠加态存在，所以在工程中才遇到了一个在量子计算机的基本单元（量子比特）不稳定的问题，即量子相关性。试想一下，如果叠加态存在的话，其稳定性会是一个严重的问题吗？正是因为不存在，所以才有稳定性的问题。


b.  量子计算机的制造虽然是一个工程问题，但它也是一个实验。这个实验是对哥本哈根理论的一个巨大的、史无前例的实验和考验，即能否在这个学派的理论指引下实现量子计算机的制造。如果最后失败了，那么这也只是哥本哈根学派的失败，但决不是量子力学这个伟大学科的失败，因为哥本哈根学派只是量子力学的一个学派而已。它将会是科学的胜利，再次证明了科学的进步必须以实验为基础。
c. 经典计算机是以基本单元是 “0” 或者“1” 存在为基础的，量子计算机是基本单元“0” 和“1”二种状态同时存在为基础的。这种“或者”和“同时”是区别经典计算机和量子计算机的唯一标准。如果一种量子计算机的基本单元中的“0” 和“1”状态不能同时存在，那么，它还将会是经典计算机。


d. 我们应该严格地区分量子力学理论和哥本哈根学派的理论。哥本哈根学派的理论只是量子力学这门学科中理论中的的一部分，不是它的全部。














参考文献


1）Feynman, Richard P. "Simulating physics with computers." International Journal of Theoretical Physics 21.6-7(1982):467-488.
2） Kyrylo Snizhko ,1Parveen Kumar ,and Alessandro Romito，“Quantum Zeno effect appears in stages”，Received 25 March 2020; accepted 13 August 2020; published 29 September 2020，PHYSICAL REVIEW RESEARCH 2, 033512 (2020)。




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