【科技改變世界 – 科普論壇】為什麼量子技術如此重要，引中美競爭鋒？（连载三）
（連載三）
前面的話：
量子科技的推進與量子科技的科普同樣重要。本文作者從“知其然”的角度對量子概念進行了簡要科普，目的是“我們要時刻警惕量子概念的‘泛化’：不僅那些僅沾了點邊的經典技術跳出來搖身一變成‘量子技術’，一些非專業人士對量子的過度解讀，更讓量子力學概念及其技術應用顯得‘玄幻莫測’。”本報從019053期開始，連載該專業人士的文章，點擊二維碼進入官網瀏覽全文。
來源：《返樸》（微信ID：fanpu2019）
作者：無邪（量子計算從業人員）
（續上期）
所謂環境，舉個例子，在固體裡面最常見的就是由“溫度”描述的熱運動。在一杯水中，有10^23量級的電子在做高速的、幾乎隨機的運動，而我們不可能去掌控這些運動的細節，只能獲得一些統計上的性質。假如你有一個新鮮的電子，並且已經知道它的波函數信息，現在將它丟入這片電子的汪洋大海，你會發現什麼？這顆電子將遠在你視覺神經有所反應之前就不知所終了，丟了！
這就是為什麼宏觀物體完全看不到量子的蹤影的原因——太多的粒子在幾乎隨機的相互作用，一個量子態幾乎在一瞬間就退相干了，變成了經典的東西。因此，經典的世界，並不是量子力學不起作用了，而是量子性消失得太快了。
（二）為什麼量子技術如此重要？
量子力學的發展已經超過百年時間了，很多量子效應，包括光電效應、受激輻射、隧穿等等，都對我們百年來的世界造成了巨大的影響。五十年前，哪怕腦洞開得最大的預言家恐怕也無法想到現在幾十億人每天對著一塊小小的發光板上下劃拉。那為什麼到了今天我們還要提量子技術很重要呢？難道不是應該早就知道其重要性了嗎？這就要從最近提出的所謂“第二次量子革命”說起。既然現在提“第二次量子革命”，那之前那些量子效應的發現和應用，就都應該歸入“第一次量子革命”。兩次量子革命的差別，足以讓中美兩國領導人發起號召，先路必爭，足見其必有非同小可之處。
兩次量子革命，我認為最核心的差別在於我們人類在量子技術中的主觀能動性。以前，我們知道原子是量子的，原子的光譜，或者說能級，可以通過量子力學精確描述。於是，我們可以試圖在其中搜索一些有用的能級，用來構建新型發光材料等。但是，無論我們怎麼來利用這些能級，原子總歸是自然的，而且原子的位置很難掌控——我們頂多在統計上去掌控原子分佈，卻無法精確地人為排列原子。
現在的情況卻大不一樣了，隨著技術的進步，我們不僅可以造出“人造原子”，也有辦法讓原子按照我們想要的方式固定在某個位置，或按照一定規律排列起來。更進一步的是，我們可以對這些人造的量子系統按照自己的想法進行操控，並可以精確測量量子系統處於什麼狀態。這是人類技術的一種質的變化：它表明了我們終於可以（一定程度上）“設計”量子系統並讓它們為我所用了。我們終於可以在超越自然的範疇之外，進行科學和技術的探索。
一個超導量子比特。這是早期的電荷型量子比特，在一個極為微小的超導小島（SCB island）上，囚禁著“一團”庫伯對，不同庫伯對數量對應著不同的能量，形成一系列分立的“電荷態”。
假如我們能設計並製造出一系列的量子系統，通過精確地控制讓它們按照我們想要的方式演化，然後再精確地測量它們，那我們就能做很多妙不可言的事情了！最早意識到其中妙處的是費曼，他在上世紀80年代提出了複雜的多體量子系統問題，應該用量子的系統來類比。90年代，數學家Peter Shor提出了著名的Shor演算法，演算法顯示這種可控的量子體系，能夠以很低的複雜度來解決原本對電腦而言很難的大數分解問題。而大數分解問題，正是用於確保互聯網安全的數學基礎，因此很快引起了大家的注意。不過在當時，這僅僅只是一個數學玩具，因為那會兒連一個量子比特都沒做出來，更談不上操控、讀出、錯誤率之類的概念了。
到了世紀之交，這種可控的人造量子系統終於出現了，比如第一個超導量子比特。這個由幾十納米大小的超導小島構成的量子體系（電荷量子比特，也就是“庫伯對盒子”），通過電容，以及一個薄薄的絕緣層與外界相連。當時這個量子體系只有不到2納秒的退相干時間，但隨後幾年，這種新生的“人工原子”得到迅速發展迭代，就像進化一樣，經過“Quantronium”、“Fluxonium”等，最終到“Transmon/Xmon”（這幾種新型量子比特，都是為了克服最早電荷量子比特中電荷漲落引起的退相干而改進得來）並大放異彩。
（未完待續）