把球扔向墻面，它會(huì)反彈，然后你可以再次抓住它。到現(xiàn)在為止還挺好。球不會(huì)突然從墻上消失，也不會(huì)變成別的東西。你剛才看到的這種完全正常的、可預(yù)測(cè)的行為就是經(jīng)典物理學(xué)在起作用。直到1900年，它一直被稱為物理學(xué)。無(wú)論你是在討論粒子還是行星，控制球反彈的規(guī)則都可以用來描述宇宙中的任何東西。

然后量子力學(xué)出現(xiàn)了。在過去的四十年里，我們的世界變成了一個(gè)非常陌生的地方。物體的行為就好像它們同時(shí)在兩個(gè)地方一樣，粒子的行為就好像它們可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，從而導(dǎo)致了雙重生命。量子世界的怪誕已經(jīng)成為傳奇，但這種怪誕的起源仍然是個(gè)謎。理論家一直繼續(xù)努力解決一個(gè)幾乎無(wú)法忍受的基本問題：是什么賦予了量子世界明顯的反直覺的量子味道？

事實(shí)是我們還不知道。這種無(wú)知對(duì)我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的理解以及我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)技術(shù)中使用量子現(xiàn)象的能力有著深遠(yuǎn)的影響。雖然多年來出現(xiàn)了不同的建議，但我們現(xiàn)在似乎離真正的答案越來越近了。

沒有什么比建造量子計(jì)算機(jī)更具變革性的了。作為普通PC的卓越繼承者，其傳說中的優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是一系列量子現(xiàn)象所致。如果我們已經(jīng)確定了數(shù)量的真正根源，一場(chǎng)新的計(jì)算革命將很快到來。

一切都從阿爾伯特·愛因斯坦開始。在20世紀(jì)初，他站在一波年輕物理學(xué)家的前沿，他們對(duì)我們周圍的世界做出了重大的發(fā)現(xiàn)。1905年，他令人信服地指出，光（長(zhǎng)期以來被物理學(xué)機(jī)構(gòu)認(rèn)為是一種波）必須以非常類似粒子的方式行事。當(dāng)用稱為電子的亞原子粒子進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)顯示它們像波一樣向外擴(kuò)散時(shí)，物理學(xué)界更加困惑。

“事實(shí)是，盡管量子計(jì)算具有革命性的潛力，但它的力量之源仍然籠罩在神秘之中。”

解釋這些新現(xiàn)象需要重新思考光和物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。人們發(fā)現(xiàn)，微觀粒子和原子被發(fā)現(xiàn)具有更光滑的特性。它們最好的描述是用被稱為波函數(shù)的數(shù)學(xué)實(shí)體來描述的，它計(jì)算了它們?cè)诓煌胤酱嬖诘母怕省Ｖ钡侥惆l(fā)現(xiàn)它們的確切位置，所有這些不同的可能性都同時(shí)存在。

用波函數(shù)和概率代替難以確定的結(jié)果，產(chǎn)生了一些令人吃驚的后果。這意味著當(dāng)一個(gè)粒子面對(duì)一個(gè)硬屏障時(shí)，它被定位在另一邊的概率為非零，允許它執(zhí)行看似不可能的穿越隧道的壯舉。

許多物理學(xué)家不喜歡這幅畫面。其中最主要的是愛因斯坦，他對(duì)自己幫助引入的量子世界觀的后果感到震驚。為了強(qiáng)調(diào)這一激進(jìn)的新物理學(xué)的荒謬之處，他與普林斯頓大學(xué)的兩位志同道合的同事鮑里斯·波德斯基(Boris Podolsky)和內(nèi)森·羅森(Nathan Rosen)合作撰寫了一篇論文。這篇被稱為EPR悖論（Einstein-Podolsky-Rosen paradox）的論文，以作者的名字命名，展示了一個(gè)由概率控制的宇宙令人擔(dān)憂的結(jié)果。EPR解釋說，在適當(dāng)?shù)臈l件下，兩個(gè)粒子的波函數(shù)可以緊密地綁在一起，或者糾纏在一起，以至于你在一個(gè)粒子上執(zhí)行的任何動(dòng)作似乎都會(huì)瞬間影響另一個(gè)粒子，不管它們相距多遠(yuǎn)。

這是異端邪說。在經(jīng)典物理學(xué)的語(yǔ)言中，信號(hào)只能以光速傳播。這意味著物體需要更多的時(shí)間來與距離它們更遠(yuǎn)的事物進(jìn)行交流，而不是與緊挨著它們的物體進(jìn)行交流。根據(jù)這一邏輯，經(jīng)典物理學(xué)說，兩個(gè)相距一光年的糾纏粒子需要整整12個(gè)月的時(shí)間才能對(duì)彼此的任何變化做出反應(yīng)。然而，根據(jù)EPR的說法，這種反應(yīng)似乎是瞬間發(fā)生的。難怪愛因斯坦稱這個(gè)過程為“鬼魅般的超距作用”。

推翻愛因斯坦

但并不是每個(gè)人都這么害怕。埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）是量子論的另一位先驅(qū)，他將糾纏作為一種現(xiàn)象，將量子世界和經(jīng)典世界明確區(qū)分開來，稱其為量子力學(xué)的特征。對(duì)于像薛定諤這樣的物理學(xué)家來說，它的詭異使它成為尋找使量子世界具有量子性的關(guān)鍵成分的理想場(chǎng)所。

一直以來，像愛因斯坦這樣的懷疑論者都不顧一切地用純粹經(jīng)典的方法來解釋這種奇怪的孿生關(guān)系。一個(gè)建議是，這兩個(gè)粒子具有預(yù)先確定的特性，這些特性是通過觀察發(fā)現(xiàn)的。例如，如果你把一副手套分別放到宇宙的兩端，當(dāng)你發(fā)現(xiàn)一只手套是右手的時(shí)候，知道其中另一只手套是左手就不足為奇了。一只手套的并不是在另一只手套被檢查的時(shí)候出現(xiàn)的，它一直以來都是它的身份中不可或缺的一部分。

這一理論似乎既解釋了糾纏又保持了局域性。1964年，物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾(John Stewart Bell)構(gòu)思了一系列思想實(shí)驗(yàn)，能夠區(qū)分真正的量子糾纏和保持局域性的經(jīng)典糾纏(見下圖)，這一切都發(fā)生了變化。

從1972年起，在一系列更加精確的實(shí)驗(yàn)中，糾纏被證明是一種現(xiàn)實(shí)。量子物理是非局域性的。在倫敦大學(xué)戈德史密斯大學(xué)從事量子信息理論研究的馬蒂·霍本（Matty Hoban）說：“這些實(shí)驗(yàn)決定了任何拯救現(xiàn)實(shí)的希望的命運(yùn)。”

但是，盡管非局域性顯然是量子力學(xué)奇怪的一個(gè)組成部分，但這并不是故事的結(jié)尾。首先，非局部性僅適用于兩個(gè)或多個(gè)粒子。它不存在于任何涉及單個(gè)粒子的奇怪量子效應(yīng)中，例如它能夠通過隧穿墻壁或獲得多個(gè)身份。其他一些經(jīng)典物理定律也被打破了。

不可靠的證人

這一困境的答案，再一次可以追溯到愛因斯坦。EPR及其支持者提出的另一個(gè)假設(shè)是，量子實(shí)驗(yàn)遵循與經(jīng)典實(shí)驗(yàn)相似的規(guī)則。他們假定任何物體都有固定的性質(zhì)，可以通過提出正確的實(shí)驗(yàn)問題來發(fā)現(xiàn)這些性質(zhì)。左手套永遠(yuǎn)是左手套，這是一個(gè)不變的內(nèi)在屬性。無(wú)論你是通過戴上它來測(cè)試它，還是讓你的朋友戴上它，這些不同的環(huán)境都不應(yīng)該改變它的身份。

貝爾的測(cè)試表明，在量子世界中，它們確實(shí)有影響。當(dāng)測(cè)量一對(duì)糾纏粒子時(shí)得到的結(jié)果與對(duì)其伙伴的測(cè)量有很強(qiáng)的聯(lián)系。換句話說，每個(gè)粒子的答案必須取決于它被質(zhì)疑的背景。從這個(gè)角度來看，量子世界中所有最違反直覺的結(jié)果都突然變得有意義了。在適當(dāng)?shù)臈l件下審問一個(gè)量子粒子，你可能會(huì)影響其共屬的性質(zhì)。

對(duì)于加拿大周邊理論物理研究所的安娜·貝倫·塞恩斯（Ana Belén Sainz）來說，這使得情境性成為更固有的量子現(xiàn)象，而非局部性僅僅是它自身的一種表現(xiàn)方式。

然而，為了找出它是否真的是量子世界固有的奇怪之處的根源，我們需要構(gòu)造一個(gè)類似于貝爾為非局域性設(shè)計(jì)的測(cè)試。這需要在兩個(gè)不同的環(huán)境中進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，并比較結(jié)果。事實(shí)證明，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)榧词故窃O(shè)備中的微小缺陷也會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)噪音，從而導(dǎo)致結(jié)果的細(xì)微變化。你如何區(qū)分純粹由于實(shí)驗(yàn)噪聲而產(chǎn)生的差異和那些由于量子怪誕而產(chǎn)生的差異呢？

答案出現(xiàn)在2016年，當(dāng)時(shí)兩個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)量子背景進(jìn)行了獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。他們的方法足夠強(qiáng)大，實(shí)驗(yàn)噪音足以令人信服地證明量子世界中的物體確實(shí)是不可靠的見證者：他們給出的答案不僅取決于你問的問題，而且取決于你問他們的背景。對(duì)塞恩斯來說，這些實(shí)驗(yàn)是量子物理學(xué)史上的一個(gè)里程碑。

盡管它在量子宇宙中扮演著更重要的角色，但幾十年來，它的情境性一直沒有得到應(yīng)有的認(rèn)可。缺乏愛因斯坦認(rèn)可只是冰山一角。霍本說：“這在很大程度上可以歸結(jié)為令人震驚的價(jià)值。”對(duì)于物理學(xué)家來說，非局域性似乎更令人震驚，因?yàn)樗|及了現(xiàn)實(shí)的基本要素：空間、時(shí)間和因果關(guān)系。無(wú)論出于何種原因，它的主導(dǎo)地位可能即將受到挑戰(zhàn)。

2019年可能是世界上第一臺(tái)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)建成的一年。根據(jù)該競(jìng)賽中的主要競(jìng)爭(zhēng)者的說法，這樣的計(jì)算機(jī)將利用量子力學(xué)的怪癖來執(zhí)行甚至超越速度最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)的任務(wù)，從發(fā)現(xiàn)新的癌癥藥物到改進(jìn)天氣預(yù)報(bào)和交通控制。但是什么讓它們?nèi)绱颂貏e呢？

IBM的工程師們也希望制造出世界一流的量子計(jì)算機(jī)

在幕后，計(jì)算機(jī)只是一種能夠操縱信息以執(zhí)行所需任務(wù)的設(shè)備。在普通筆記本電腦或個(gè)人電腦中，這是通過位于機(jī)器核心芯片上的數(shù)十億個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)晶體管都可以處于兩種狀態(tài)中的一種：通電或關(guān)斷。這兩個(gè)狀態(tài)(稱為1和0)表示單個(gè)位信息。把足夠多的碎片粘在一起，你就可以做任何事情，從計(jì)算航天飛機(jī)的軌跡到建立一個(gè)模型宇宙。

在量子計(jì)算中，經(jīng)典位被量子位取代。量子位的波函數(shù)不只是以0或1的形式存在，而是允許它以0和1的新組合存在，這就是所謂的疊加。到目前為止還很簡(jiǎn)單。但在這一點(diǎn)上，許多試圖解釋量子計(jì)算能力的嘗試都偏離了軌道。標(biāo)準(zhǔn)版本是這樣的。經(jīng)典位必須在兩種可能的狀態(tài)中選擇一種，但是，多虧了疊加，一個(gè)量子位可以“同時(shí)”表示兩種狀態(tài)。因此，當(dāng)一臺(tái)經(jīng)典計(jì)算機(jī)必須一次嘗試每一個(gè)可能的解決方案時(shí)，量子疊加允許量子計(jì)算機(jī)同時(shí)嘗試所有可能的解決方案，使它比普通計(jì)算機(jī)更快、更強(qiáng)大。聽起來很棒。唯一的問題是，這完全是胡說八道。霍華德說：“如果事情這么簡(jiǎn)單，量子算法的設(shè)計(jì)也會(huì)很容易。”

事實(shí)是，盡管量子計(jì)算具有革命性的潛力，但它的力量之源仍然籠罩在神秘之中。霍華德說：“即使對(duì)專家來說，理解量子計(jì)算機(jī)‘實(shí)際在做什么’也是一個(gè)難題。”在某些情況下，我們知道量子算法已經(jīng)能夠通過使用糾纏和疊加等現(xiàn)象來完成看似不可能的壯舉。但我們也知道，它們的一些成就可以在常規(guī)的經(jīng)典機(jī)器上進(jìn)行模擬。換句話說，僅僅使用這些奇怪的效果并不足以使量子計(jì)算機(jī)獲得優(yōu)勢(shì)。悉尼大學(xué)的量子物理學(xué)家安吉拉·卡蘭杰(Angela Karanjai)說：“令人擔(dān)憂的是，我們還沒有一種強(qiáng)有力的方法來確定一個(gè)量子系統(tǒng)必須具備哪些必要條件和充分條件，才能看到相對(duì)于經(jīng)典計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。”

但有些人認(rèn)為他們知道這一優(yōu)勢(shì)所在。2014年，霍華德和他的合作者發(fā)表了一篇里程碑式的論文，表明情境性可能是量子計(jì)算的核心引擎。他們從被稱為穩(wěn)定器電路的簡(jiǎn)單系統(tǒng)開始，這些電路本質(zhì)上是量子的，但很容易在常規(guī)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬。用量子計(jì)算機(jī)科學(xué)家的話來說，這些電路不是“通用的”；并不是所有可能的量子算法都能在它們上運(yùn)行。事實(shí)也證明，它們還不夠復(fù)雜，不足以顯示情境性。

霍華德和他的同事證明了，一旦你賦予穩(wěn)定器電路創(chuàng)造情境的能力，你就會(huì)使它們具有普遍性。霍本說：“這一結(jié)果開辟了新的領(lǐng)域，并發(fā)現(xiàn)了量子計(jì)算機(jī)能力的一部分基礎(chǔ)。”

那么，情境性是量子計(jì)算加速的秘密引擎嗎？鑒于現(xiàn)有的各種量子計(jì)算模型，霍華德對(duì)過度泛化持謹(jǐn)慎態(tài)度。盡管如此，我們知道，至少在某些時(shí)候，情境可以使計(jì)算成為真正的量子，這仍然是一個(gè)有用的結(jié)果。卡蘭杰和她的合作者最近的工作表明，量子電路所展示的情境的數(shù)量限制了經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬它所需的內(nèi)存。情景越多，所需內(nèi)存就越大。卡蘭杰說：“這些結(jié)果告訴人們建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)要使用顯示情景性的系統(tǒng)來構(gòu)建它，因?yàn)檫@些系統(tǒng)可以提供更多的計(jì)算能力。”

但情景性不僅有很好的技術(shù)前景。在經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)的不確定性之后，它終于可以讓我們描繪出量子物理學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)之間模糊的界限。

對(duì)薛定諤來說，糾纏是“可怕的”，它顛覆了我們的經(jīng)典先入之見，這一事實(shí)足以預(yù)示它正處于分裂的另一邊。但是霍華德，卡蘭杰和其他人的工作表明，一個(gè)更嚴(yán)格的定義可能是可以實(shí)現(xiàn)的。量子物理學(xué)的核心不是由那些與我們經(jīng)典預(yù)期不符的現(xiàn)象組成的雜亂無(wú)章的理論，而是一種關(guān)于計(jì)算的理論。看起來令人震驚的是，量子行為的真正特征可能是那些提供了明顯的計(jì)算優(yōu)勢(shì)的。

如果這一點(diǎn)持續(xù)下去，那么建造量子計(jì)算機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)將不僅僅是革命性的計(jì)算。它真正的遺產(chǎn)，事實(shí)上，可能是最終確定什么使量子力學(xué)成為量子。