追随诺奖得主，走进量子化学学
Alain
2022年诺贝尔化学学奖得主、巴黎萨克雷学院
高等光学研究院院长、巴黎综合理工大学院长
2022年诺贝尔化学学奖由Alain、JohnF.和Anton三位科学家共同获得，她们通过量子纠缠实验进一步证明了量子热学的正确性，促使量子信息系统成为一门真正的科学，这将进一步促进量子计算机的发展。量子计算机和量子化学学究竟如何回事？量子计算机和传统计算机有哪些区别？
量子化学学是描述电子、原子、分子、晶体等微观粒子的化学定理。我们在宏观世界熟悉的牛顿热学定理在纳米尺度（十亿分之一米，大致相当于原子的大小）的微观世界里不再有效。20世纪上半叶普朗克和爱因斯坦对量子化学学的发展做出了巨大贡献，从1925年起，伟大的化学学家海森堡、薛定谔和狄拉克将量子化学进一步物理公式化，并仍然延用至今。
量子化学学对于解释物质的稳定性至关重要。19世纪末，人类发觉原子是由正电荷和负电荷组成，且正电荷和负电荷互相吸引，碰撞后会抹杀。既然这么，作为物质基础的原子如何能够存在呢？这都是由于电子的量子特质：电子除了是粒子，但是是波。当你企图限制电子的空间位置，其波长都会递减，能量须要相应地递增，但因为电子无处获得大量能量，所以不能被限制在大于原子规格的空间内。量子化学学也可以拿来解释原子之间的物理键。
量子化学的原理进行物理公式化后，能在微观层面上估算材料中的电压，人们以此发明出了晶体管和集成电路，作为现代计算机的基础。量子化学学还阐述了物质吸收、发射光子（光粒子）的原理，因而催生了激光设备的发明。
01
量子计算机
量子计算机的概念萌生于近二十余年，不过其起源可以溯源到上世纪70年代化学学的几项技术突破：首先是单个微观物体的观察和控制技术。在那之前，人类只能操纵小型粒子群，但如今可以捕获单个电子或原子，观察并控制它的行为大学物理量子物理论文，还可以发射单个光子并借助它的特点。其次是量子纠缠理论。爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在1935年发表的一篇论文中首次描述了量子纠缠，该现象只有在量子化学学的理论框架内才有可能出现。
两个粒子在空间中互相作用后分离，会产生一个不可分割的量子整体。当整体包含的信息少于每位粒子本身所包含的信息之和时，才会发生纠缠。正是这个属性让量子估算在理论上成为可能：假定有几个、数十个乃至上百个相互纠缠的粒子用于编码量子信息，能储存的数据量都会指数降低，远超于传统的储存设备。
02
退相干现象——量子计算机研制的主要障碍
但是，我们距离理想中的量子计算机还有相当长的距离，由于现有的量子位（量子比特）并不稳定，与环境互相作用时会发生所谓的“退相干”，一段时间后会手动恢复成精典数学学物体，并丧失所包含的量子信息。退相干是量子计算机的一个重大障碍，须要极大的研制力度才有可能克服。不过，也有一些“捷径”：比如找寻免受退相干影响的量子态子空间。倘若能成功，我们在有生之年才能看见量子计算机。
我深信，迟早会出现一台能完美运行的理想量子计算机。依我之见，只要一个目标不遵守数学基本定理，工程师一定会找到实现的方式。其实，研制的过程须要时间，不可能一蹴而就。
03
基于隐型传态的未来量子网路
量子互联网（更确切应称为量子网路），指包含两个或多个量子计算机的网路，计算机直接从量子态发送量子信息相互通信，无需通过中间精典化学状态。这种网路信息传输量极大，其原理是“量子隐型传态过程”，早已在单个粒子和大型粒子群中得到了验证，但传输距离只能在几十公里以内。
假如退相干问题在短期内得不到解决，“降级版”量子计算机可能会首先出现。对于个别任务，比如知名的旅行推销员问题、电力网路优化等优化类问题，这些中等规模的量子计算机将比传统计算机更高效。
04
第二次量子革命
“量子2.0”成为了当下的热门概念，但我更乐意称其为“第二次量子革命”，由于量子技术将具有颠覆意义。第一次量子革命主要是概念性、理论性的：科学家们发觉了描述波粒二象性的新公式，加深了人类对化学世界的理解，并催生了一大批彻底改变社会的技术应用。第二次革命有两个崭新的基础：一是隔离和控制单个量子物体的技术，二是让量子颗粒发生纠缠、并将纠缠现象应用于实际场景的技术。
新的量子技术会像晶体管、激光一样，让人类社会发生重大改革吗？现今作出这些判定为时过早，但我觉得企业应加强量子技术研制投资。假如新技术真的带来了我们所期望的革命性进步，没有提早投资的企业都会遭到淘汰。据悉，企业应广泛招募量子化学专家，但这种人才存在缺口，故我建议企业与学院构建合作伙伴关系，牵手并进。
我们伦敦萨克雷学院有一个与伦敦综合理工大学的合作项目，名为ARTeQ大学物理量子物理论文，为理工科专业的中学生提供量子通识教育，便于她们在未来的职业生涯学校以至用。该项目得到了来自企业界的慷慨捐助。
未来的世界须要量子研究者，也须要量子工程师和技术工人。这意味着我们从现今开始就要投资于量子化学的研究、技术和技能培训。
作者
Dumé
编辑
Xia