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《科学大家》:神奇又难懂的量子密码学

时间:2023-09-20

我想你们可能以前见过这个简图。这个简图根据问题难度将问题分类。有新的分类加入到我们之前拥有的分类,比方说P类,NP类和PSPACE类,这个新的分类是一些新的量子类问题, 其中包含一些问题,可以被量子计算机很快解决,但是经典计算机却需要很长时间。还有一些问题,经典计算机和量子计算机都很难解决。

《科学大家》:神奇又难懂的量子密码学

一个更坏的消息是,想要搭建能够完全纠错的量子计算机是很难的。我们应该好好想想在中短期内,在通用量子计算机出现前,我们还能够做什么。我觉得其中最成功的一个方面就是,我们在不断扩展量子密码的通信距离。还有一个方面是我们改进了计量和计时。举个例子,如今已经很常见的铥钟。以前铥是属于那种几乎不会被使用的元素。不过铥元素却让我们得以搭建出更便携的原子钟,这种便携原子钟可以用来同步其他的钟。事实上,铥钟短期内就可以完全应用到计时领域。

“量子霸权”最近被广泛关注。所谓“量子霸权”,就是用一个小的量子计算机,去做一些无用的,但是对经典计算机来说很难做的事情。我对此的反应是,这样做的理由是什么呢?我觉得唯一的理由就是让人们相信量子计算机在原理上是可行的,如果建造一个更大的量子计算机,它可能就会有用了。不过如果你相信量子力学,你已经知道这一点了。

如果有人不相信量子力学,那他们可能就是太顽固,也永远不会被说服的。你不该去做这些,而应该去逐渐地提升硬件,理解退相关的来源并找到解决办法,实现存储时间更长的量子存储,实现更长程持续时间更长的纠缠。或你可以去推动这些东西的实际应用。

即使你无法解决纠缠的问题,你也可以用非纠错量子计算机来做一些事,这些事可能会对量子化学和机器学习等有帮助。不过我觉得以下才是在这个领域学习研究的最重要原因,至少从理论方面而言,它不仅已经改变了我们对信息的本质的理解。并且它有机会帮助解决物理学中最大的问题,即理解什么是量子引力。

这里存在一种文化差异。宇宙学家和高能物理领域的弦论学家喜欢思考这类问题。其他人则对这类东西不熟悉。有不少厉害的科学家认为,理解空间和时间的起源的方式,理解如何将引力和量子力学统一的方式,就是使用比量子信息理论中的更简单的概念。或许他们在使用一种新的方式来思考这个问题。我觉得这是最让人兴奋的领域之一。尽管很难想到近期内能有什么实际应用。

《科学大家》:神奇又难懂的量子密码学

下图是一张我从约翰·普雷斯基尔那里借来的幻灯片。他这样说过,“回到量子力学诞生的时期,经典力学无法解释热辐射,导致普朗克创立了量子力学。我们无法理解黑洞蒸发时发生了什么,这一点是由霍金提出的,说明这里有一个可将量子力学和引力统一起来的问题。两个理论似乎都很有用。两个理论看起来都像是对的。一定存在一个可将这两个理论统一起来的问题。希望这个问题将在本世纪被解决。

《科学大家》:神奇又难懂的量子密码学

他们只对科学能做的对他们有用的东西感兴趣,即能解决他们所能看到的最迫切的问题。不过我认为科学发展大多数时候是渐进的。新闻记者喜欢重大进展。不过重大进展发生的时候,往往是带来重大进展的科学已经发展十分成熟了,以至于会有不同的人几乎在同一时间发现同样的东西。可能大家需要的是耐心一点。

如果有人将威斯纳在1968年发现的东西更好地推广了,或者我们俩更好地推广了,可能这个领域会早诞生十年。但是在五十年或一百年的时间尺度上,我们中的任何一个人都是不重要的,总有其他人会做出这些工作的。

举个例子,如今有个特别火热的领域,人工智能。我从七十年代开始就关注这个领域了。在那个年代,人工智能被认为是,他们说是他们会首先使用计算机做的事情。人工智能的一个重要应用就是语言翻译。然而计算机在语言翻译上简直是个悲惨的失败,且持续了差不多五十年。计算机在语言翻译上的能力比过去强了很多,并且会继续进步。让我们继续支持好的科学研究,而不用去担心它在干什么。它最后的应用可能会被你开始认为的要更重要。也可能它们永远不能被用来做任何事。

25年前,我正在参观喷气推进实验室。我遇到了一个科学家,他研究“旅行者号”探测器的动力系统。他说当他们计划这个雄伟的计划的时候。“旅行者号”探测器是在七十年代发射的。他们希望它能够探测全部四个巨行星。但是主管的人说,只去木星和土星就行了。人们只听说过木星和土星。他们不会真的关心其他的巨行星的。然后他们说,现在几乎所有的行星都排成一行了,我们现在可以一次性探测所有行星,也就是多次使用重力弹弓。同样的好机会,两百年内都不会再发生。但主管的人说,国会理解不了两百年有什么,他们只能理解两年有什么。就只去木星和土星。后来工程师们密谋在很多地方过度设计了探测器。他们说这是一个如此昂贵的项目,我们决不能让它失败。让我们把所有东西都做得更牢固更耐用。我们不知道木星上的辐射场是怎样的。所以他们基本上将“旅行者号”建造地足够经久耐用,在“旅行者号”发射升天后,他们调整了它的行程,让“旅行者号”去做那些曾被否决的事情,拍下的照片到现在为止仍然是其他两个行星的最好照片。

《科学大家》:神奇又难懂的量子密码学

有人问法法拉第,电磁感应有什么用。发动机和发电机都是基于电磁感应原理制成的。法拉第回答,问电磁感应可以用来干什么,就像问新生儿有什么用处。他当时在讨论一些新发现的元素,在伦敦的一个公开讲座中。法拉第在讲座中说了下面这段话。这段话是有记载的,因为有人将讲座记录了下来。“在讲完物质氯之前,我想讲一下它的历史。”最终氯气被用在了很多地方,比方说漂白等等。“对于那些习惯质疑所有的新发现有什么用的人,”然后他说,对于这种问题,最好的回答来自本杰明·富兰克林,当人们问他的一些发明,如电,有什么用的时候。这个回答就是“新生儿有什么用呢?”

量子信息提供了一种清晰的思路,来研究通信、计算,甚至是物理里的相互作用。量子信息将信息科学和物理学结合在了一起。

对量子信息来说,经典行为其实是特例。经典信道就是有窃听者存在的量子信道。经典计算机就是每个导线上都有窃听者的量子计算机。量子信息会带来很多令人振奋的应用,我们仍需要不断去探索。但是就像地球是圆的这个事实,或者像物质是由原子构成的这个事实,或者爱因斯坦展示了时间和空间是相连的这个事实。

虽然他们写不出来洛伦兹变换的完整形式,但是他们知道是爱因斯坦发现了这个。并且知道这个很重要且很奇特。我觉得大众应该以同样的方式去理解纠缠。

注:本文内容由墨子沙龙夏秀秀根据现场演讲编译整理而来

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