四分之一世紀前，量子比特誕生

約翰·阿奇博爾德·惠勒喜歡巧妙的短語。

他讓「黑洞」一詞在 20 世紀 60 年代變得家喻戶曉。他也創造了現在人們所熟悉的「蟲洞」和「量子泡沫」。在1980年代，惠勒在德克薩斯大學奧斯汀分校進一步思考量子物理之謎時，反覆說出他最喜歡的疑問口號：“量子是怎麼來的？”從這些思考中，又出現了另一個令人難忘的短語：「It from Bit」。這成為了一個迷因，激發了一個令人驚訝的物理學新領域——量子資訊理論。

該理論的基本單位量子位元在 25 年前在達拉斯的一次會議上首次在科學界亮相。惠勒並沒有發明這個詞量子位元。他以前的一位學生本傑明·舒馬赫創造了這個詞來指稱一些量子資訊。當時，很少人認識到資訊在量子物理學中的重要性。幾乎沒有人意識到量子位元將如何顯著地推動一個全新的科學領域和相關技術的發展——現在正處於生產強大的量子電腦的邊緣。

一些物理學家很早就討論了利用量子怪異來計算的想法。伊利諾伊州阿貢國家實驗室的保羅·貝尼奧夫(Paul Benioff) 於1980 年展示了使用量子過程進行計算的可能性。上可以完成傳統計算機無法完成的任務。然而，儘管物理學家夢想建造一台量子計算機，但這項追求一直毫無目的，直到1994 年，貝爾實驗室的數學家Peter Shor 證明，量子電腦可以用於一些重要的事情——即破解密碼。肖爾的演算法為目前在真實量子計算設備中得到回報的研究熱潮提供了動力。但正是在肖爾的工作前兩年發明的量子比特，為此類研究取得進展提供了所需的概念工具。

尋找量子意義

當惠勒創造了「It from Bit」一詞時，他更關心的是有關物理和存在的基本問題，而不是量子計算。他想知道為什麼量子物理學統治著宇宙，為什麼自然界最基本的神秘模糊性會產生呈現給人類感官的堅如磐石的現實。他無法接受量子數學就是一切。他並不認同物理學家在回答提出哲學量子問題的人時所遵循的標準教條——閉嘴併計算。

惠勒透過研究觀察者的角色來尋找量子理論神秘力量的秘密。量子數學提供了多種測量結果；一個或另一個具體結果只有透過觀察行為才能實現。惠勒想知道他所說的「意義」是如何從將量子可能性變成現實的基本觀察中產生的。因此很長一段時間他都在尋找一種量化「意義」的方法。在 1987 年的一次訪談中，我問他這是什麼意思——特別是，我想知道他想到的是否是某種意義的數字度量，類似於資訊理論的數學（它以比特來量化信息，通常是用0和1表示）。他說是的，但當時他對資訊處理作為自然的基本特徵並不滿意。當時的一本流行書中討論了這個概念：人擇宇宙學原理作者：約翰·巴羅和弗蘭克·蒂普勒。對惠勒來說，他們對宇宙資訊處理的看法讓人想起一群人將數字輸入加法機的畫面。 「如果他們談論進行觀察，我會更高興，」惠勒告訴我。

但不久之後，惠勒的一位學生沃伊切赫·祖雷克 (Wojciech Zurek) 的工作啟發惠勒開始談論資訊的觀察。惠勒沉思道，觀察結果為問題提供了是或否的答案。粒子在這裡（是）還是不在這裡（否）？粒子是順時針旋轉嗎？或者相反？粒子還是粒子嗎？或者它實際上是一個波浪？惠勒發現，這些是或否的答案對應於資訊理論中的 1 和 0，即位元。因此，到了 1989 年，他開始構思他最喜歡的問題──量子是怎麼來的？ ——如何從這個是或否的觀察中解釋存在的出現：它來自位元。

惠勒並不是第一個將資訊與量子物理學結合的人。其他人早些時候就涉足過量子訊息處理——最引人注目的是，利用量子訊息發送無法破解的密碼。 「量子密碼學」是由 IBM 的 Charles Bennett 和蒙特利爾大學的 Gilles Brassard 於 20 世紀 80 年代初提出的。 1990 年，當我拜訪 IBM 的 Bennett 時，他已經建立了一個量子密碼訊號系統的工作模型，能夠將大約一公尺左右的光子從他辦公室桌子的一側發送到另一側。如今，基於類似原理建構的系統透過光纖將訊號發送到數百公里之外。有些系統可以透過空氣甚至太空發送量子訊號。不過，當時貝內特的裝置只是展示了量子物理學的怪異之處如何能夠實際應用。貝內特甚至認為這可能是量子怪異唯一有用的東西。

但有些物理學家卻持不同的懷疑。他們認為量子物理學有一天可能會真正實現一種新的、更強大的計算。量子數學的多種可能的測量結果提供了一種電腦會：量子物理學似乎不再一次只計算一個數字，而是允許同時進行許多平行計算。

費曼探索了量子計算的想法來模擬自然物理過程。他指出，作為量子力學的自然，必須表演普通電腦無法描述的物理魔術，僅限於以確定性、因果方式操縱的 1 和 0。大自然將量子機率融入化學反應等事物中。使用確定性數位機器對它們進行詳細模擬似乎是不可能的。但費曼認為，如果可以設計一台電腦來利用量子怪異，那麼模擬自然的所有量子奇蹟可能是可行的。 「如果你想模擬自然，你最好將其變成量子力學，」費曼在 1981 年的計算物理會議上說道。他提到這樣做「看起來並不那麼容易」。但他看不出有什麼理由說這是不可能的。

幾年後，富有想像力的英國物理學家大衛·多伊奇（David Deutsch）的工作使量子電腦進一步聲名狼藉。他採用了它們存在的前景來說明休·埃弗里特三世（惠勒的另一位學生）在 20 世紀 50 年代提出的量子物理學觀點，即「多世界解釋」。在埃弗里特看來，量子數學中的每一種可能性都描述了測量的物理真實結果。在你所佔據的宇宙中，你只能看到一個可能的結果；其他發生在平行宇宙。 （埃弗里特的說法表明，觀察者分裂成自己的副本，繼續存在於他們新創建的宇宙家園中。）

多伊奇意識到，埃弗雷特的觀點如果正確的話，將開闢一個新的計算前沿。只需建造一台計算機，它可以追蹤測量位元時創建的所有平行宇宙。然後，您可以同時在無數個宇宙中進行計算，從而大大縮短解決複雜問題所需的時間。

但沒有任何有意義的問題可以用這種方式解決。這就是 1992 年在達拉斯召開的計算物理學會議的情況。與會者討論了量子電腦的核心問題——它們的計算速度可能比普通電腦更快，但它們並不總是能給你想要的答案。如果量子電腦的計算速度比普通電腦快 100 倍，那麼它每 100 次嘗試只能提供一次正確答案。

一個很好的主意

雖然達拉斯會議上的大部分注意力都集中在尋找使用量子電腦的方法上，但舒馬克的演講著眼於一個更基本的問題：電腦如何編碼資訊。眾所周知，普通計算機以位元的形式儲存和處理訊息，位元是二進制數字的縮寫，即二進制算術中的 1 和 0。但舒馬克認為，如果要談量子運算，位元並不是正確的方式。您需要資訊的量子位元：量子位元。他在達拉斯會議上的演講是第一次使用和定義該術語的科學演講。

當時和現在俄亥俄州甘比爾凱尼恩學院的舒馬克幾個月前曾與惠勒的另一位門生威廉·伍特斯討論過此類問題。 「我們開玩笑說，也許我們需要的是資訊的量子測量，我們會用量子位元來測量事物，」舒馬克告訴我。他們認為這是一個很好的笑話並大笑起來。 「但我想得越多，我就越覺得這是一個好主意，」他說。 “事實證明這是一個非常好的主意。”

1992 年夏天，舒馬克想出的不僅僅是一個聰明的名字；他證明了一個關於如何使用量子位元來量化透過通訊通道發送的量子資訊的定理。本質上，一個量子位元代表了一個量子粒子自旋中所包含的資訊；它可以是 0 或 1（如果粒子自旋的狀態已知）或 0 和 1 的混合（如果尚未測量粒子的自旋）。如果傳統的 0 或 1 位元可以用一枚正面或反面落地的硬幣來表示，那麼量子位元將是一枚旋轉的硬幣，具有正面或反面落地的明確機率。

傳統的「經典」位元測量編碼訊息所需的物理資源量。舒馬克以類似的方式展示了量子位元如何對量子資訊做同樣的事情。 「在量子力學中，資訊的基本單位是量子位，即在一次旋轉中可以儲存的資訊量，」他在達拉斯會議上說道。 “這是思考資訊和量子力學關係的一種不同方式。”

其他物理學家並沒有立即加入量子比特的行列。舒馬克的論文發表已經三年了。那時，肖爾已經展示了量子演算法如何快速分解大量數字，從而使廣泛使用的用於各種秘密資訊的加密系統面臨風險——如果有人知道如何建立量子電腦的話。但這就是問題所在。在達拉斯會議上，IBM 物理學家 Rolf Landauer 強烈主張量子運算在技術上不可行。他指出，所有關於量子計算的討論都發生在方程式領域。沒有人知道如何準備專利提案。在真實的物理系統中，量子資訊的脆弱性——最輕微的干擾就會破壞它——使得計算中的錯誤累積不可避免。

1994 年，蘭道爾在新墨西哥州聖達菲的研討會上重申了他的反對意見，當時量子計算、量子位元和 Shor 演算法主導了討論。但大約一年後，肖爾本人展示瞭如何在系統中添加額外的量子位，從而提供一種捕獲並糾正量子計算過程中的錯誤的方法。這些額外的量子位元將與執行計算的量子位元連結或糾纏在一起，而實際上並不參與計算本身。如果發生錯誤，可以呼叫冗餘量子位元來恢復原始計算。

肖爾的「量子糾錯」方法增強了人們的信心，即量子計算技術實際上有一天會成為可能——鑑於此後二十年的進步，這種信心是有保證的。最近，描述量子糾錯的數學出現在一個完全意想不到的背景下——透過將重力與量子力學結合來理解時空的本質。加州理工學院物理學家約翰·普雷斯基爾和他的合作者最近強調「量子資訊科學和量子重力的顯著融合」；他們認為，描述量子位元糾纏以將量子計算結合在一起的相同量子糾錯碼也描述了量子連接生成時空本身幾何形狀的方式。

因此，以量子位元為代表的量子訊息的意義和力量似乎尚未被完全理解和認識。舒馬克的量子位元可能不僅是一種看待量子力學與資訊關係的新方法，而且還是一種全新的方式來構想現實和存在的基礎的關鍵——就像惠勒在創造它時所想像的那樣來自比特。

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這個故事出現在 2017 年 7 月 8 日的《科學新聞標題是“量子比特的誕生：四分之一個世紀前，一位物理學家發明了一個將推動新型計算的概念。”

身為《科學》雜誌的編輯達拉斯晨報，湯姆·西格弗里德 (Tom Siegfried) 報導了 1992 年的物理會議，其中術語量子位元被介紹了。