潘建偉：下一個量子突破將在五年後發生

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最近，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、朱曉波等和西班牙塞維利亞大學Adán Cabello教授合作，首次實驗排除實數形式的標準量子力學。研究人員利用超高精度超導量子線路實現確定性糾纏交換，以超過43個標準差的實驗精度證明了實數無法完整描述標準量子力學，確立了複數的客觀實在性。

2019年Adán Cabello和潘建偉於斯德哥爾摩

2月3日，西班牙《國家報》[1]報道了對潘建偉院士和Adán Cabello教授的採訪。

報道首先回顧了這項中國和西班牙團隊合作的研究。去年，一組研究人員在《自然》雜誌上[2]提出了一個想法，即基於實數的量子理論的替代方案可以通過實驗被證僞。這是量子領域的頂尖科學家潘建偉提出的一項挑戰，塞維利亞大學的物理學家Adán Cabello參與了這項挑戰。他們的聯合研究證明了“複數(例如-1的平方根)在標準量子力學中不可或缺的作用。”這些結果使得使用這種技術的計算機的開發取得了進展，根據Cabello的說法，“在以前無法進入的領域測試量子物理。”

現年51歲的潘建偉1987年畢業於中國科學技術大學，維也納大學博士研究生，他領導着世界上規模最大、最成功的量子研究團隊之一，被諾貝爾物理學獎得主Frank Wilczek稱爲“自然的力量(a force of nature)”。潘建偉在維也納大學的論文導師、物理學家Anton Zeilinger補充道：“沒有潘建偉，我無法想象量子技術的出現。”

潘建偉在這項研究中的領導地位至關重要。他解釋說：“這個實驗可以被視爲兩個玩家之間的遊戲：實數量子力學和複數量子力學。這個遊戲是在一個帶有四個超導電路的量子計算機平臺上進行的。通過發送隨機測量基數並測量結果，就可以獲得遊戲分數，該分數是測量基數和測量結果的數學組合。遊戲規則是，如果遊戲分數超過7.66分，則排除實數量子力學，我們的工作就是這樣。”

這個實驗由中國科學技術大學和塞維利亞大學合作進行，並被科學雜誌《物理評論快報》[2]報道。它旨在回答一個基本問題：複數對於自然的量子力學描述真的有必要嗎？結果排除了標準量子物理中只使用實數的替代方案。

潘建偉於中國科學技術大學

根據潘建偉的說法：“物理學家用數學來描述自然。在經典物理學中，實數似乎可以完整地描述所有經典現象中的物理現實，而複數只是有時被用作一種方便的數學工具。然而，是否需要複數來代表量子力學的理論仍然是個未知數。我們的結果排除了對自然的實數描述，並確立了複數在量子力學中不可或缺的作用。”

Cabello補充道：“這不僅僅是排除一個特定的替代方案，實驗的重要性在於，它展示了超導量子比特系統是如何工作的。使我們能夠測試量子物理的預測，而這些預測是我們迄今爲止進行的實驗無法測試的。因爲它們需要對幾個量子比特進行嚴格控制。現在我們將能夠測試它們。”

中國科學技術大學的陸朝陽教授是這項實驗的合著者，他說：“量子計算機最有希望的近期應用是量子力學本身的測試和多體系統的研究。”這一發現不僅爲量子計算機的發展提供了一條前進的道路，也爲在原子和亞原子水平上理解粒子的行爲和相互作用提供了一種接近自然的新途徑。

但是，與任何突破一樣，開闢新的前進道路會產生不確定性。然而，潘建偉傾向於關注積極的一面：“建造一臺實用的容錯量子計算機是人類面臨的巨大挑戰之一，”他說。“我更關心我們將如何以及何時建造一臺。構建大規模通用量子計算機的最大挑戰是噪聲和缺陷的存在。我們需要使用量子糾錯和容錯操作來克服噪聲並擴大系統規模。一個保真度高於物理量子比特的邏輯量子比特將是量子計算的下一個突破，將在大約五年後出現。在家庭中，量子計算機如果實現，將首先通過雲服務實現。”

實現擁有擁有數百萬量子比特的計算機的目標還有很長的路要走。然而，中國和西班牙團隊的研究結果使得擴大現有量子計算機的用途和理解困擾科學家多年的物理現象成爲可能。

[1]https://english.elpais.com/science-tech/2022-02-03/jian-wei-pan-the-next-quantum-breakthrough-will-happen-in-five-years.html

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04160-4

[3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.040403