文｜創瞰巴黎 Isabelle Dumé
編輯｜Meister Xia
Laurent Sanchez-Palencia
法國國家科學研究中心（CNRS）量子物理學研究主任、巴黎綜合理工大學教授
導讀
巴黎綜合理工大學教授Laurent Sanchez-Palencia的課題組正在量子尺度上研究物質結構。在量子的微觀世界里，有怎樣的神奇現象？量子與信息加密有什么關系？量子有哪些優勢？“量子優勢”如何實現？研究量子技術有哪些應用場景？
一覽：
- 目前，學者正在對“準周期”材料的活動進行建模。此類材料很復雜，無法在原子尺度上進行研究。
- 學者想要探索當原子之間的相互作用導致新的量子相（如玻色玻璃）出現時，會產生什么效應。
- 糾纏是一種量子現象，測量一個粒子的狀態，就能知道其糾纏伴侶的狀態。
- 量子計算機至少需要使用幾十萬個量子位（量子比特），才能具有“量子優勢”。
- 當前技術進一步發展的主要障礙是量子退相干現象：這是量子位與環境相互作用的結果，破壞了它們的糾纏。
巴黎綜合理工大學教授Laurent Sanchez-Palencia的課題組正在量子尺度上研究物質結構，在量子的微觀世界里，波和粒子效應（如干涉和糾纏）相互交織，粒子之間的相互作用很強烈。Sanchez-Palencia還參與了巴黎綜合理工學院和巴黎綜合理工大學的量子技術課程的開發。
課題組目前正在對量子進行模擬，以了解“準周期”材料在低溫下的行為規律。由于這些材料太復雜，無法在原子尺度上完全描述，只有使用量子模擬才能更深入地理解，這與高溫超導體和量子磁學的情況類似。
極小模型的理論結果可以在被稱為“光學晶格”的可控系統中進行實際實驗并測試。“光學晶格”由溫度極低（10-10K）的原子組成，并通過激光束固定在一起。適當數量的激光束在平面上指向同一方向時，會生成一個奇異的系統，介于有序和無序之間（在長維度上有序但非周期性有序），即所謂的準周期系統。
01 玻色玻璃”量子相
學者正在研究當原子間的相互作用導致“玻色玻璃”（一種新量子相）出現時，會發生什么現象。玻色玻璃是一種特殊類型的絕緣體，理論上只應出現在無序或準周期的結構中。標準絕緣體的基態和第一激發態之間有一個能級。這意味著只有強大的電場才能激發電荷并使其運動。在玻色玻璃中，沒有這樣的能級，但電荷被限制在非常局部的區域，不允許電流流動。
玻色玻璃最早是在20世紀80年代末被預測到的，但從未在實驗中明確地觀察到，即使在冷原子系統中也是如此。事實上，冷原子從來都不是完全冷的，即使在低至10-9K的溫度，熱波動也會破壞量子相。然而，Sanchez-Palencia的課題組最近做出了一個大膽的預測：盡管存在熱波動，玻色玻璃仍可以穩定下來并被觀察到。他們目前正在設計一個實驗，希望觀察到這種奇異的相態。
玻色玻璃有許多神奇的特質。例如，它們通常是非遍歷系統，與傳統的遍歷系統相反。在遍歷系統中，每一個粒子都會經過可支配空間中的每一個點至少一次，從而達到熱力學平衡。19世紀末提出的玻爾茲曼理論很好地描述了這種情況。迄今為止的觀測數據顯示，無論是微米級別的物體，還是恒星、星系尺寸的物體，都符合遍歷系統的規律：系統在所有可能的狀態之間切換，沿著允許它快速切換的路徑波動。但是，在非遍歷系統中，這種遍歷性被系統中的不均勻性所阻止。因此，此類系統被困在一個包含其可能狀態的子集中，遠離平衡。
02 糾纏現象與信息加密
糾纏是Sanchez-Palencia課題組研究的另一個純量子現象。兩個或兩個以上的粒子可以具有比經典物理學所允許的更強的相關性。例如，量子粒子的可觀測性質通常是不確定的，因此測量結果是隨機變化的。然而，當粒子糾纏時，無論粒子之間的距離如何，只要確定一個粒子的狀態，就能立即決定另一個粒子的狀態。愛因斯坦稱量子糾纏為強大的“遠距離靈異現象”，似乎超越了空間和時間。利用這一現象，只要測量一個粒子的狀態（比如一個電子的自旋），就能確定其糾纏對象狀態（另一個電子的自旋），不需要觀測。
作為一種驚人的遠距離效應，量子糾纏的應用才剛剛起步，暫時還局限于通訊加密。簡單地說，假設發送方和接收方共享一對糾纏對，測量結果隨機但相同。為了攔截通信，竊聽者也必須進行測量，測量結果同樣是隨機的，但重點是，竊聽行為會改變糾纏配對，導致發送器和接收器的測量不再相關——收發雙方可以通過比對各自測量結果來驗證。量子糾纏加密方法的優勢在于，以往很難探測到的竊聽，在量子世界基本定律下暴露無遺。
量子測量結果隨機性的其他應用，還包括制造完全隨機數生成器和完全隨機密鑰等。
03 量子技術產業化之路
量子隨機數生成器現已實現了市場化，使用該技術的首款手機也已問世。糾纏態所能承載的信息量大得驚人，遠多于單個粒子，故量子糾纏也可用于密集編碼。
單個粒子只能包含了關于其自身狀態的信息，而一群粒子的子集可以無限多，每個子集都包含粒子之間相關性的信息。這種效應允許在量子比特（又稱量子位）結構中編碼海量信息。標準的計算機二進制位只能取0或1的值，而量子位可以同時取兩個值，也可以取0和1的任意組合。
04 “量子優勢”如何實現？
量子比特將是未來量子計算機的基本組成部分。利用它們的量子特性，特別是糾纏，可以解決復雜的計算問題，使設備的計算速度超過當今最強大的計算機，讓計算能力指數級增長。量子比特可以由多種現有材料平臺制造，例如超導量子位、原子捕獲、離子捕獲。未來還會有更多制造手段，比如使用光子量子處理器。
近年來量子比特技術取得了令人矚目的進展。然而，在量子計算機能使用幾十萬到幾百萬個量子位之前，無法形成真正的“量子優勢”。當前的技術只能制造出大約一百個量子位的計算機，未來還有很長的路要走。
“當前的技術只能制造出大約一百個量子位的計算機。”
量子技術進一步發展的主要障礙是量子退相干現象：量子位與其環境相互作用，會破壞糾纏。為了避免或者至少限制這種情況，通常有必要在接近0K的溫度下操作量子位，保護它們免受環境影響。從原理而言，大規模量子計算機的誕生不存在障礙，但仍有一些實際問題需要解決，比如是否可以從根本上克服退相干，以及一些工藝上的挑戰。縱觀世界各地，許多國家政府和私人投資者都在斥資尋求解決方案。
在短期內，制造對退相干不太敏感的量子模擬器或許更有前景。量子模擬器可以理解為專用量子計算機，其架構為某些特定任務而優化。量子模擬器特別擅長求解多變量函數的最小值，很適合那些使用且需要優化復雜網絡的企業。此類網絡包含大量變量，量子模擬器可以以傳統計算機無法實現的方式對其進行優化。
發展量子計算所需的大部分技術都已存在，現在的問題是為量子計算尋找有經濟效益的應用場景，畢竟它昂貴且耗能高。不過，量子計算可以有極廣的應用范圍，遠超出我們的想象。近年的研究突破有望催生一系列全新、顛覆性的技術。Sanchez-Palencia常提醒學生，不僅要研究量子計算機，還需要研究其輔助配套技術。后者也許微不足道，但對于新型量子技術的萌生不可或缺。
05 巴黎綜合理工學院的量子技術基礎教育
目前，各個層次的學習者都迫切需要接受量子力學科普和教育，而這正是巴黎綜合理工學院物理教學多年來的一大工作重點。所有的學生，無論是否有意攻讀物理或工科類專業，在入學的第一年都必須完成量子力學相關的學習內容。學校的這份堅持已經產生了積極效應：當前法國許多量子力學領域的初創企業都是由巴黎綜合理工學院的畢業生創辦的。
為了讓學生們做好準備迎接量子技術新發展，巴黎綜合理工學院幾年前開設了“量子科學與技術”課程，帶領學生了解量子物理學最前沿的研究成果，特別是糾纏效應及其應用方式。課程還介紹了基礎研究和技術開發的關系：盡管媒體報道中的量子技術神乎其神，但量子物理學仍處于萌芽階段，需要深入了解、繼續開發的內容還有很多。
巴黎綜合理工學院的碩士和博士專業與巴黎綜合理工大學（IP Paris）的各大學院密切合作，力爭從全球各地招募最優秀的生源。碩士一年級的學生能直接加入大學院校的課題組，以加強學習和研究實踐的結合。此外，大學院校近日推出了量子力學繼續教育課程，專門針對沒有相關專業背景的工程技術人員。此類課程還特別適合剛剛涉入量子領域，需要掌握具體技能的企業管理者和產品研發人員，無論是來自中小企業還是大型企業。
巴黎綜合理工大學還與巴黎薩克雷大學的薩克雷量子研究所開展重點量子學研究，雙方優勢互補。在國家層面，去年法國國家科研署新成立了一個量子技術聯盟。