光子盒研究院出品
時(shí)隔五年，第28屆索爾維物理學(xué)會議終于在近日圓滿召開。有史以來第一次，會議的主題是“量子信息物理學(xué)”（The Physics of Quantum Information）。
索爾維會議是20世紀(jì)初比利時(shí)企業(yè)家歐內(nèi)斯特·索爾維（Ernest Solvay）創(chuàng)立的物理、化學(xué)領(lǐng)域討論的會議。1911年，第一屆索爾維會議在布魯塞爾召開，迄今已逾百年。
熟悉光子盒的讀者應(yīng)該知道，索爾維會議與愛因斯坦的光子盒實(shí)驗(yàn)以及整個(gè)量子物理學(xué)領(lǐng)域都有著不解之緣。回顧索爾維會議百年歷史，最著名的就是1927年那場關(guān)于量子物理學(xué)的“玻爾-愛因斯坦之爭”，以及會后那張“物理學(xué)歷史上最偉大的合照”。合照的29人中，有17人獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
1927年第五屆索爾維會議。來源：國際索爾維研究所
后排從左至右：皮卡爾德、亨利厄特、埃倫費(fèi)斯特、赫爾岑、德唐德、薛定諤、費(fèi)爾沙菲爾特、泡利、海森堡、福勒、布里淵；中間從左至右：德拜、克努森、布拉格、克萊默、狄拉克、康普頓、德布羅意、玻恩、玻爾；前排從左至右：朗繆爾、普朗克、居里夫人、洛倫茲、愛因斯坦、郎之萬、古伊、威爾遜、理查森
會后的大合照是索爾維一直以來的傳統(tǒng)，今年的特殊之處在于，這可能是自上世紀(jì)80年代量子信息科學(xué)誕生以來最盛大的量子信息科學(xué)家聚會。他們之中有量子信息科學(xué)的先驅(qū)（其中不乏諾貝爾獎獲得者），當(dāng)前量子信息科學(xué)的中堅(jiān)力量，也有推動量子信息科學(xué)落地的商業(yè)大佬，而且你一定在光子盒見過他們的名字。
唯一遺憾的是，由于疫情原因，國內(nèi)的量子信息科學(xué)家未能前往。但本次會議仍然不乏中國元素，除了美國國家科學(xué)院院士文小剛、芝加哥大學(xué)蔣良教授親臨現(xiàn)場之外，中國科學(xué)院院士潘建偉也線上參與了5月22日索爾維公開講座的小組討論。
2022年第28屆索爾維會議。來源：John Preskill
前排從左至右：Ketterle, Maldecena, Haroche, Henneaux, Gross, Zoller, Wineland, Preskill, Halperin, 文小剛；第二排：Aharonov, Stanford, Engelhardt, Aaronson, Rey, Vazirani, Girvin, Schoelkopf, Blatt, Cirac, Gottesman, Shor, Verstraete；第三排：Sevrin, Hubeny, Gambetta, Terhal, Simmons, Khemani, Nakamura；第四排：Marcus, Bloch, Browaeys, Vidick, Pollmann, Wiebe, Penington；第五排：蔣良, Fisher, Wall, Harlow, Martinis, Troyer, Farhi, Almheiri, Calabrese, Altman；參會但未出現(xiàn)在照片中：Lukin, Mahadev
1927-2022，時(shí)隔近百年，量子力學(xué)從新生的充滿爭議的理論，發(fā)展成為未來信息技術(shù)革命的基石，百年索爾維見證了量子科學(xué)的百年歷程。
借此機(jī)會，我們想談?wù)劇肮庾雍小钡膩須v。
1927年，處于量子力學(xué)理論的早期發(fā)展階段，我們通常認(rèn)為海森堡等人的矩陣力學(xué)和薛定諤方程標(biāo)志著量子力學(xué)的誕生。從薛定諤方程解出的電子運(yùn)動規(guī)律，是一個(gè)彌漫于整個(gè)空間的“波函數(shù)”，這個(gè)結(jié)論對于當(dāng)時(shí)在經(jīng)典力學(xué)背景下成長的物理學(xué)家來說不可思議。因?yàn)樵诮?jīng)典力學(xué)中，粒子在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的位置是固定的。
正當(dāng)所有人傷透腦筋時(shí)，1926年玻恩給出了概率解釋。他認(rèn)為量子力學(xué)中的電子不像經(jīng)典粒子那樣有決定性的軌道，而是隨機(jī)出現(xiàn)在空間中某個(gè)點(diǎn)。不過，電子出現(xiàn)在特定位置的概率是一定的，是由薛定諤方程解出的波函數(shù)決定的。
在此基礎(chǔ)上，后來又發(fā)展出了海森堡不確定性原理、玻爾互補(bǔ)性原理等，這一系列詮釋使得量子力學(xué)第一次自圓其說。由于當(dāng)時(shí)哥本哈根大學(xué)的玻爾極具威望，因此這些詮釋稱為量子力學(xué)的哥本哈根詮釋，并很快被學(xué)界廣泛接受，除了愛因斯坦。
當(dāng)時(shí)，物理學(xué)界基本形成了兩派：以玻爾、玻恩、海森堡、泡利、狄拉克為代表的哥本哈根學(xué)派，以及以愛因斯坦、薛定諤等人為首的反對派。
到了1927年索爾維會議，關(guān)于哥本哈根詮釋的合理性，是本次會議主要討論的話題。
在正式會議階段，玻爾和哥本哈根學(xué)派對量子理論的解釋占了壓倒性優(yōu)勢。愛因斯坦的質(zhì)疑通常在正式會議之外提出，而兩派人馬的辯論和交鋒，大部分發(fā)生在每天會前會后的餐桌上。
愛因斯坦的出發(fā)點(diǎn)是經(jīng)典力學(xué)中的三個(gè)假設(shè)——守恒律、確定性、局域性。一般來說，在守恒律方面爭議不大。但海森堡提出的不確定性原理違背了確定性的假設(shè)，這是愛因斯坦所不能忍受的。
海森堡1925年發(fā)現(xiàn)電子的運(yùn)動實(shí)際上并無軌跡可言，因?yàn)殡娮拥奈恢煤蛣恿坎豢赡芡瑫r(shí)被確定：位置的不確定性越小，動量的不確定性就越大，反之亦然。海森堡由此提出不確定性原理。
愛因斯坦的觀點(diǎn)可以用其名言“上帝不擲骰子”來概括，即世界的本質(zhì)不是隨機(jī)的，與經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)一致。那些看起來無法解釋的隨機(jī)現(xiàn)象，是因?yàn)橛猩形窗l(fā)現(xiàn)的“隱變量”，一旦我們找出了這些隱藏著的變量，隨機(jī)性就不復(fù)存在了。
然而，哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，微觀世界的隨機(jī)性是內(nèi)在的、本質(zhì)的，并沒有什么隱藏得更深的隱變量，有的只是“波函數(shù)坍縮”到某個(gè)本征態(tài)的概率。
最后直到會議結(jié)束，兩派仍然各執(zhí)己見，誰也沒有被對方說服。
三年后的第六屆索爾維會議上，兩派人馬再次華山論劍。愛因斯坦提出了他著名的“光子盒”思想實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)裝有發(fā)光物質(zhì)的密封盒子，盒子上開了一個(gè)小洞，洞口的機(jī)械鐘可以精確控制擋板的開啟時(shí)間。同時(shí)，盒子懸掛在一個(gè)精密的彈簧秤上，以測量其質(zhì)量。
實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先測量一次盒子質(zhì)量，然后在短時(shí)間內(nèi)控制開啟快門讓一個(gè)光子逸出，當(dāng)快門關(guān)閉后，再測量一次質(zhì)量。設(shè)盒子所減少的質(zhì)量為m，光子的能量即E=mc2。
愛因斯坦認(rèn)為，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，時(shí)間由機(jī)械鐘控制測量，光子的能量可通過彈簧秤測量質(zhì)量差得到，兩者獨(dú)立進(jìn)行，互不干涉，理論上都可準(zhǔn)確測量。以此來說明時(shí)間和能量不能同時(shí)準(zhǔn)確測量的不確定性原理是不成立的，玻爾一派的觀點(diǎn)不正確，量子力學(xué)不自洽。
愛因斯坦的光子盒實(shí)驗(yàn)，當(dāng)場讓玻爾啞口無言。但是只過了一個(gè)晚上，玻爾用愛因斯坦自己的廣義相對論，指出了光子盒實(shí)驗(yàn)的缺陷。
玻爾指出：光子跑出后，掛在彈簧秤上的盒子質(zhì)量變輕，即會上移，根據(jù)廣義相對論，如果時(shí)鐘重力方向發(fā)生位移，時(shí)鐘的快慢會發(fā)生變化。這樣一來，盒子里的機(jī)械鐘讀出的時(shí)間就會因?yàn)檫@個(gè)光子的跑出而發(fā)生改變。換言之，使用這種裝置，如果要測定光子的能量，就不能精確控制光子逸出的時(shí)刻。
愛因斯坦被玻爾的回?fù)趔@得目瞪口呆，自此以后，便放棄了從不確定性原理這一方面來攻擊量子力學(xué)的想法?！傲孔永碚撘苍S是自洽的，”他說，“但至少是不完備的?！?/span>
玻爾那晚也的確被愛因斯坦的“光子盒”問題擾得心神不安，日后多年他仍然一直耿耿于懷。據(jù)說，在玻爾1962年去世時(shí)，他工作室的黑板上還畫著當(dāng)年愛因斯坦的那個(gè)光子盒。
近百年前索爾維會議的玻愛之爭和光子盒實(shí)驗(yàn)，奠定了量子力學(xué)百年的輝煌。而今年的索爾維會議或許也為量子信息科學(xué)的未來指明了方向。
用理論量子物理學(xué)家Preskill的話說，“本次會議促進(jìn)了量子物質(zhì)、量子引力、量子硬件和量子計(jì)算機(jī)科學(xué)方面的交流，可以激發(fā)新的想法和見解，指導(dǎo)我們探索復(fù)雜的高度糾纏系統(tǒng)的難以捉摸的特性。”
Preskill強(qiáng)調(diào)了本次會議討論的兩個(gè)主題。其一是量子信息物理學(xué)為控制和探索復(fù)雜的多粒子量子系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的概念和強(qiáng)大的技術(shù)；其二是尋求令人信服的證據(jù)證明量子糾錯可以延長量子存儲時(shí)間并提高量子門的錯誤率。
最后Preskill總結(jié)了在第28屆索爾維物理學(xué)會議上討論的幾個(gè)值得注意的問題，可能對量子信息科學(xué)的未來發(fā)展有所啟示：
關(guān)于物質(zhì)的量子相，經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)能教會我們什么？
要發(fā)現(xiàn)量子模擬器的新階段，我們應(yīng)該尋找什么？
從含噪聲中等規(guī)模量子(NISQ)設(shè)備到容錯量子計(jì)算，是否存在一條通過錯誤緩解的平滑路徑？
最近發(fā)現(xiàn)的“好”量子低密度奇偶校驗(yàn)碼(最終)會大幅降低容錯量子計(jì)算的開銷嗎？
量子機(jī)器的基本限制是什么？
什么問題有巨大的量子加速？
實(shí)驗(yàn)者和理論家應(yīng)該做些什么來幫助人們理解量子引力？
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