量旋科技冯冠儒：量子纠缠的研究成果推动了第二次量子革命

今年的诺贝尔奖物理学奖公布后，关于“量子力学”和“量子纠缠”的话题讨论相当火爆。然而很多人，并没有意识到这个奖项背后的时代意义——以“量子纠缠”为典型特征的量子信息技术，已经从实验室走出，进入产业化的新阶段，成为科技变革的主角和划分时代的注脚。

那么量子纠缠这种奇怪的量子效应，到底是如何发生的？关于它的科研成果会给人类带来什么价值？以“量子纠缠”为巨大资源的量子计算，将如何成为一种新的生产力工具，改变我们未来的生活？

11月3日，在科技+产业投融媒体亿欧联合量旋科技的一场直播分享中，量旋科技联合创始人&资深科学家冯冠儒博士，就带来了《诺奖背后的量子纠缠和走出实验室的量子计算》为主题的精彩演讲。冯博士以玻尔和爱因斯坦两位科学家的主张，开启了量子纠缠的前身，这场跨越百年的博弈，也为量子纠缠拉开了历史的序幕。

以下为演讲实录（本文根据演讲视频整理，有删节，完整回放视频请在量旋科技视频号获取。）

物理学天空中的“两朵乌云”

其实在19世纪末，物理学家们认为，当时的物理学已经非常完善了，英国著名物理学家开尔文就说，物理学已经没有什么新东西了，剩下的就是要不停提高实验精度，然后对一些边边角角进行修补。但是他也提出，当时物理学的天空中是有两朵乌云的：一朵乌云是“黑体辐射问题”，一朵就是“光的以太学说问题”。那么为什么称他们为乌云？其实是因为当时理论预言的实验现象，和真正实验中观测的现象是不一致的，所以大家称它们为乌云。

那么黑体是什么呢？黑体是这样一个模型，它不能反射光，也不能透射光，但是可以自己辐射光。而在当时，经典理论对黑体辐射的能量预测，和实验上观测到的现象是不相符的。

另外一个问题就是“光的以太学说问题”，当时大部分物理学家都认为，以太是一种绝对静止的介质，“光在以太中传播”这种学说，会有什么样的预测？就是说观测者相对以太不静止时，光在各个方向上的传播速度是不一样的。

而到1887年的时候，莫雷和迈克尔逊他们就做了一个实验，他们就发现，各个方向上光的速度是相同的，这也和当时的以太理论是不相符的，所以称这两个问题为乌云。那么光的以太学说这个乌云，被爱因斯坦的狭义相对论给吹走了。爱因斯坦狭义相对论中的核心观点，就是真空光速不变，那么这就这朵乌云就没有了，而剩下的黑体辐射这朵乌云，直接促进了量子力学的诞生。

黑体辐射问题和量子力学的诞生：能量是一份一份的

这就要讲到一位科学家普朗克，他在研究黑体辐射问题时，把“能量是一份一份的”假设引入到公式中，他就发现公式预测和这个实验符合的非常好，这就标志着量子力学的诞生。

那怎么理解“能量是一份一份的”，或者说“能量是量子化的”这个问题呢？大家可以想象一下，一片沙滩如果你远远的看去，它就是连续的，这是为什么？这是因为我们站得比较远，我们看不清，眼睛的分辨率不够，测量精度不够，所以看起来是连续的。当你走进沙滩就会发现，原来沙滩是由一粒一粒沙子构成的，所以其实沙滩也是量子化的，这个时候相当于我们站得近看得清，我们眼睛的分辨率够了，我们的测量的精度高了，所以其实量子力学的发展和当时科学技术的进步，是有非常直接的关系的。

由于科学技术的进步，使得人们对物理现象观测的广度深度都有了提高，也促使人们不断用新的理论，去解释新观测到的物理现象。当然，量子力学的诞生，不是一两个科学家就做到的，是许多物理学家经过头脑风暴，还有各种科学辩论，最后才逐步建立起来的。

这张照片大家应该都见过，是在1927年的索维尔会议上拍的，堪称量子力学界的全明星照，这里面的很多人，都因为对量子力学的贡献得到了诺贝尔物理学奖：比如1918年因为黑体辐射问题授予了普朗克，1921年由于光电效应授予了爱因斯坦，1922年给了玻尔的氢能级结构研究，1929年德布罗意由于物质波获奖，然后还有海森堡、薛定谔、迪拉克等。

爱因斯坦和玻尔的世纪之争：上帝到底掷不掷骰子？

在量子力学创立的过程中，也诞生了许多有名的论战，最著名的就是量子力学两位开山者爱因斯坦和玻尔之间的论战。那么他们的论战究竟是争论了什么呢？首先我们看一下量子力学它适用于什么环境。

我们平常见到周围的环境，都是一个宏观的环境，所以适用的理论是牛顿力学，用来预言作为宏观物体的各种运动。但量子力学就适用于微观世界，微观世界有原子、电子、光子等等。

量子力学对它们的描述不是决定性的，而是概率性的。这就涉及到量子力学的几个很重要的假设，其中的一个就是波函数假设，量子力学对一个量子系统的描述是概率性的处于某种状态。大家可以看右边这个图，右边这个图是氢原子核周围，电子能级结构的形象化表示，这些亮的地方表示，电子在这个地方的概率比较大，暗的地方表示，电子在这个地方的概率比较小。

在非决定性的量子力学里，另外一个重要的假设就是“测量”。假设前面说量子系统是以一定概率处于不同的状态，那么测量就会使它塌缩到一个明确的状态。这两条假设就直接预言了一种非常神奇的量子现象，叫做量子叠加。

这张图上的1，就表示一个核自旋，然后它有两种状态，自旋朝上即为0，自旋朝下是1，它可以同时处在这两种状态的叠加。如果测量它，就会塌缩，然后我们就能以一定的概率测出一个0态或者1态。这个概率由什么决定？就是由这个波函数里0态前面的系数，或者1态前面的系数来决定，这就是量子叠加。波函数的概率诠释以及测量塌缩诠释，是哥本哈根学派对量子力学的一些核心诠释。

哥本哈根学派得名于玻尔在哥本哈根建立的研究院，当时的研究院，吸引了很多杰出的青年科学家，这些科学家都对量子力学的创立做出了自己的贡献，比如海森堡、泡利等等。哥本哈根学派的核心的诠释就是概率诠释，还有测量塌缩诠释。但是爱因斯坦、德布罗意还有薛定谔，也是量子力学创立过程中做出重要贡献的科学家，但他们就非常不认同哥本哈根学派的这种诠释。爱因斯坦就说过，上帝是不掷骰子的，然后哥本哈根学派的领袖玻尔就说，不要告诉上帝怎么应该做。

“薛定谔的猫”和量子纠缠

在他们的学术争论过程中，薛定谔就提出了一个非常有名的思想实验，叫做“薛定谔的猫”的实验。在这个假想实验中，一只猫在一个房间里面，这个房间里面还有一个粒子源，以一定的概率发生衰变。然后如果它发生衰变，会引发一系列的连锁反应，最后造成毒气瓶破裂，猫被毒死；如果它没有发生衰变，那么什么事情就都不会发生，这样的话，粒子源就处于衰变和不衰变的叠加态，那么这个猫就处于死或活的叠加态。

薛定谔提出这个假想实验，本来是为了说明哥本哈根学派的诠释太荒谬，竟然会导致出现猫又死又活这么一个状态，但在这个实验中，也显示出一种非常神奇的现象，就是量子纠缠。

量子纠缠是这么一种关联：就是一个系统和另外一个系统状态纠缠到一起，具体到这里，就是猫或死或活的状态，和放射源衰变或不衰变的状态，完全纠缠到一起了。他们不可以独立各自描述自己的状态，而且这种量子纠缠还不受距离的限制。

但为什么我们在现实生活中，就看不到这种量子叠加状态和量子纠缠状态？

到目前为止，其实也是有多种诠释的。第一种解释是哥本哈根学派的“测量塌缩解释”。塌缩就说如果是我们看猫，我们在对猫进行测量，我们既然测量了，它的状态就会塌缩，它要么塌缩到死的状态，要么塌缩到活的状态。所以你看它只能是死的状态，或者是活的状态。这种诠释其实是把一个客观物体的状态和主观测量联系到一起了，这一点也是爱因斯坦不认同的一点。

还有一种解释是“退相干解释”，就是说量子状态太脆弱了，非常容易被破坏，对于宏观物体来说，经常和周围的环境有各种互动，所以有量子态的话，也会非常快的被破坏掉，它就退化成了经典态了，所以我们在宏观世界里面，就看不到这种量子叠加和量子纠缠。

还有一种解释是“多重宇宙解释”，这种解释就是说，我们看到的宇宙，只是多重宇宙中的一重。到目前为止，关于我们在宏观世界为什么看不到量子纠缠，看不到量子叠加，其实学术界还没有完全的定论。

EPR详谬和互补性原理

1935年，爱因斯坦和另外两个科学家提出了一个论据，取这三位科学家姓名的首字母，常被称为EPR思想实验或者EPR详谬。他们就用这个实验，说“量子力学无法完全描述物理实在”。

具体怎么理解“量子力学无法完全描述物理实在”这句话？我们来看这个例子：EPR他们提出处于纠缠的一对粒子，它们处在这么一个状态，在各个方向上测它们的自旋方向都是相反的。

举个例子，假设有我们有两个硬币，放在两个盒子里面，我们不知道它们的颜色和朝向，但是我们被告知，这两个硬币的颜色是相反的，一个是红的，一个是黄的；朝向也是相反的，一个是反面，一个是正面。那么，当我们看第一个盒子里硬币颜色的时候，我们发现它是红色的，那么另一个硬币肯定是黄色的；如果看它的朝向的话，第一个硬币是正的，那么第二个硬币肯定是反的。这样看来，量子纠缠和经典关联这种情形好像是很相像。

但与经典情形不同的是，是在微观量子里，对第一个粒子测量方向的选择，对第二个粒子的测量结果是有影响的，而且这种影响还不受距离的限制。所以爱因斯坦就说，这是一个幽灵般的超距作用，这也是非常困扰他的地方。

EPR包括后面其他科学家做出的工作，就提出以“局域隐变量理论”来解释纠缠的神奇现象。他们认为，这种纠缠对粒子，违反直觉的测量结果不是由于量子力学所说的纠缠而产生的，而是有这么一个隐藏起来的变量，这个变量完全决定了测量结果是什么样的。大家觉得纠缠对的测量结果很奇怪，只是因为大家对变量不了解，所以叫局域隐变量理论。

这就像大家在买手机的时候，虽然所有新手机看起来都是一样的，但其实每个手机的性能多少有些差别。这些差别是由手机内部的一些其他参数决定，但这些参数都隐藏起来了。我们说的隐变量，就像隐藏起来的参数一样，EPR他们就用这种“隐变量理论”来解释纠缠的这种关联。

当然玻尔是对EPR他们三人的EPR佯谬，提出了自己的回复。玻尔的回复方式，是哥本哈根学派一个比较核心的思想，就是互补性原理。他说在微观世界，我们测量到的结果，总是受测量这个过程的影响。比如要想测量一个粒子，如果测到了它的精确位置，那么就对它的速度有影响，就再也测不到精确的速度了。反之，如果能测到它精确的速度，由于测量过程对位置产生的影响，就再也测不到它精确的位置了，这就是互补性原理。玻尔就说了，EPR对这种违反常理的现象，其实是互补性原理的一种体现。

贝尔不等式的验证与量子纠缠

但是玻尔他们提出的这些论据，都是有点哲学层面的纯粹思辨，很难从实验上验证，真正要想判断他们谁的理论是对的，必须有这么一个实验能验证。这样1964年，贝尔就提出了一个不等式，提供了在实验上验证哪个理论是错的，这么一个可能性。如果局域隐变量理论是对的，那么就是满足贝尔不等式的，如果量子纠缠是对的，那么就会违背贝尔不等式。

怎么测量这个不等式？其实就是每个粒子都要从一组测量中随机选择，然后进行多次测量，最后去计算这些测量结果的关联函数，并且这个绝对值是要小于2的。如果量子纠缠是对的话，这个关联函数是要大于2的。

具体的实验方案是怎么设计？这就需要把纠缠在一起的光子，分发给Alice和Bob两个人，他们要各自独立同时测量光子的极化状态，然后多次测量以后，计算测量结果的关联性，再计算贝尔不等式前面的这个数值。当然了，设计实验的时候，其实是有多个地方需要注意的，比如 Alice和Bob要相距比较远，再比如他们要各自随机在自己的测量中进行选择。这两点都是为了避免他们在实验过程中进行通信，或者说避免他们挑选更符合自己预期的一些测量方向。

这两个点其实分别对应了两种漏洞：一个是自由选择漏洞，一个是局域性漏洞。另外还有一种漏洞叫做测量漏洞。在最开始的时候，测量光子的仪器的效率都比较低，比如100个光子可能只能测30个光子，这个时候就很难证明，假如测到的30个光子符合某种规律，很难说明另外70个光子，到底是符合还是不符合这种规律，这个时候就说它有测量漏洞。

在1972年的时候，Clauser就进行了第一次的贝尔实验，当然它的实验结果是违背贝尔不等式、支持量子纠缠的。但是实验中也由于当时的设计问题，包括实验探测器的效率都比较低，所以是有漏洞的。比如局域性漏洞，因为在做实验的过程中，两个探测器的距离，没法规避出现通讯这种情形。

在1982年Aspect和他的合作者，对实验进行了多种改进，基本补上了局域性漏洞，就是两个探测器之间的距离，是远大于实验过程中光可以传播的速度，因为光通讯是最快的，所以局域性漏洞就补上了。

到1998年，在另一个实验中，Zeilinger把探测器的距离放得更远，有400米，这个时候可以认为，完全关闭了局域性漏洞。到了2015年，探测器的效率已经做得很高了，这个时候研究者就可以同时关闭局域性漏洞和测量漏洞。

到2016年的时候，有一个比较著名的实验叫大贝尔实验，在这个实验中，有10万多志愿者都参与了实验，研究者就用志愿者输出的随机数，去随机的选取测量方向，这样的话就补上了自由选择漏洞，至此所有的漏洞都已经补上了，而且所有的实验都违背贝尔不等式，都强力支持量子纠缠的预言。

桌面型量子计算机对贝尔实验的快速验证

下面我会用我们公司生产的一台桌面型量子计算机，来对贝尔实验进行简单的演示。这是我们的控制界面，上面的这个Python窗口，是我们公司开发的SpinQKit平台，这是一个专门的量子算法开发平台，我们用这个方式连接这台桌面型量子计算机，它是两个比特的，我们分别用和它们共振的脉冲，去控制这两个比特，来实现量子门的操作。

现在就在运行第一次实验，这里我来简单介绍一下，我们的主控制界面是在一个触摸平板上实现的，上面有多个模块，其中有真机实验模块，量子课程模块，课程训练模块，模拟训练模块，仪器调试、用户中心、我的实验。里面整合了专门为了量子计算科普和基础教学而设计的一些入门课程，然后还有专门的课程训练，也可以记录学习者的一些进步。

再看一下真机实验模块，，比较有基础的用户，可以通过我们的SpinQKit平台去运行实验。如果是对 Python语言不是很熟悉的用户，可以直接在我们的窗口里，用拖拽的方式构建量子线路。

这里是正在运行的实验的电路，里面就包含了单比特门和双比特门，双比特门的作用，就是构建一对纠缠的量子比特，而后面的单比特门，就是为了进行测量，因为我们仪器默认的测量方式是一个轴的，所以我们需要经过门操作，来改变它的测量方向。上面这个门和下面的三个门的组合，都是为了改变测量方向。

好了，现在实验结果已经出来了，我们运行了4组实验结果，去计算4个关联函数，进而计算贝尔不等式，可以看到，我们的结果也是大于贝尔不等式里面的上限2的。

量子纠缠在量子信息技术中的巨大价值

历史上一系列的贝尔实验，均违背了贝尔不等式，也强力支持了量子纠缠这种效应，否定了局域隐变量理论。这一系列的实验意义是很重大的，它不只局限于量子力学的基础理论研究，还推动了量子信息技术的发展。

量子信息技术的发展，一般也被称为第二次量子革命。而第一次量子革命，指的是量子力学的创建，在这个过程中，重点是人们对量子现象进行观测理解。第一次量子革命还包括一些被动的应用，包括激光还有半导体等。

第二次量子革命重点是什么？是对量子状态主动的调制和应用，比如刚才一系列实验都是对量子状态的主动调制。把量子态的具体性质应用到不同的领域，例如量子通信，量子计算、量子传感。

那么量子纠缠到底在量子信息中，具有什么样的作用？这里我主要从量子通讯和量子计算这两个方面来进行介绍。在量子通信中，其实有多种方案，基本上每种方案都对量子纠缠进行了直接的应用。

在量子计算中，量子纠缠也是广泛存在的，已经有研究证明存在，如果是没有纠缠，就不会有纯态量子计算针对经典计算的指数加速。我这里简单举一个量子通信的例子，叫做“量子隐形传态”，就是把一对纠缠粒子分发给信息的发出方和接受方。这样的话，信息的发出方就可以在不知道这个C状态的情况下，把它传送给信息的接受方，这就直接用到了纠缠粒子的性质。量子隐形传态可以有很多应用，比如量子中继器。

在量子计算中，这里以Shor大数分解算法为例，Shor大数分解算法解决的问题，就是把一个非常大的数分解成两个质数，这个问题在经典计算里是非常难的。Shor大数分解的量子算法，对经典算法有指数加速效应，如果是能在未来通用量子计算机上实现的话，那么目前的RSA 加密技术就已经不安全了。研究者认为，Shor算法的加速和算法中产生的纠缠是直接相关的。

量子纠缠在量子计算中的另外一个应用，就是基于测量的量子计算模型，和前面Shor算法的计算模型不太一样，刚才纠缠是在运行过程中产生的，而这里其实需要在最初始的时候，就制备出一种含有大量纠缠的一个纠缠态。这就像出去旅行的话，食物也可以沿途获得，也可以是旅行之前就提前准备好。刚才的那种模型，就是沿途获得纠缠这种食物，那么现在这种模型，就相当于是提前就把纠缠这种食物给制备好，所以量子纠缠在量子计算、量子信息中都有非常重要的应用。

量子技术走出实验室

量子信息经过了几十年的发展，目前已经不只是高校和实验室在做了，有越来越多的产业界加入了量子计算的研究，这也是有原因的。我这里重点说一下量子计算方向，经典计算机有一个基本的计算单元，就是晶体管，它就像是一个小开关，可以通过控制高低电压，让电流通过和不通过开关，这就是经典计算机的一个基本的计算单元。

那么晶体管越做越小，目前来说已经到了纳米的尺寸，但是再小的话，量子力学效应会在里面开始主导，就会出现一个非常著名的效应叫量子隧穿，本来不应该有电流通过的时候，由于隧穿效应它就会有电流通过，这个时候这个晶体管就失效了。所以晶体管不能做的太小的话，芯片上晶体管的密度就不能做的太大，一方面是晶体管尺寸不能太小，另外还有一个原因就是散热问题，也使得这个晶体管的密度不能做的无限大，这样就说明经典计算机的算力不能无限提升。但人们对算力的需求还是在不断增长的，这就是为什么人们对量子计算这种具有指数加速的这种计算方式寄予厚望。

当然将来量子计算会在各行各业都有非常重要的应用，比如石油化工、生物制药、材料科学，这些领域主要是用到了量子模拟，还有人工智能、金融交易、交通规划，这些领域主要是用到了量子优化等等。我这里给出了布局量子计算的一些企业，既包括互联网巨头，还有工业巨头，还有各大银行等等，他们在各高科技工业产品、化学制药、金融能源等各领域都布局了量子计算。

当然量子计算和经典计算，并不是一个取代和被取代的关系，它们更像是飞机和汽车的关系，分工不同。比如比较难的任务，就会交给量子计算机来完成，其他任务，交给经典计算机完成，它们两个更像是一种协同合作的关系。

量子计算发展到现在，被称为“含噪声的中型量子时代”，量子比特的数目是在50~100个，它是无法实现大规模量子纠错的，所以没法获得非常大的量子加速。但是这个时代是非常重要的，因为在这个时代，已经可以逐步演示量子计算相对于经典计算的优越性了。比如谷歌还有中科大的团队，先后都已经在不同的平台上面实现了量子霸权。

除了高校还有各大公司投入量子计算以外，也有很多初创公司开始加入量子计算的行业。我们量旋科技也是量子计算领域的初创公司，我们是在核磁共振量子计算平台和超导芯片量子计算平台上，共同推进量子计算的发展。我们的桌面型核磁共振量子计算产品，包括2比特的双子座和双子座Mini，刚才展示实验的是双子座Mini，我们还有3比特的三角座，这一系列产品主要面向的是量子计算科研教学和科普场景，目标就是为量子计算人才培养做贡献。

此外，我们还在超导芯片量子计算平台上，推进量子计算的发展，超导芯片量子计算平台，也是目前最被看好的量子计算平台之一，目前我们也有超导量子计算平台的原型机，还有相应的测控系统，以及一系列应用算法等等。

现在总结一下，量子纠缠是量子力学里的一种非常特殊的效应，经过了很多实验的验证。通过贝尔实验的验证，量子纠缠的这种神奇的性质，是无法用“局域隐变量理论”去解释的。贝尔实验的三位先驱科学家，都因为他们的贡献获得了今年的诺贝尔物理学奖。量子纠缠是量子信息的重要的资源，它在第二次量子革命中发挥了重要的作用。