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再谈量子科技:理论与实验并重,重质而不重量

已有 1291 次阅读 2022-7-19 23:50 |个人分类:学术观点|系统分类:观点评述

再谈量子科技:理论与实验并重,重质而不重量


缪培贤(兰州空间技术物理研究所)

我最近写了好几篇关于量子计算的博文,从微信群、科学网、知乎和抖音交流群获得一些反馈,结合以前和其他师生学术交流的情况,此博文归纳一些观点,作为回应和澄清。

“理论与实验并重,重质而不重量”源自叶企孙先生。叶企孙先生是我国近代物理学的奠基人,他积极创办了清华大学物理系,把毕生精力贡献给中国教育及科学事业,培养出了大批优秀科学家,他被称为大师的大师,不了解叶先生的读者可以百度一下(网址链接:https://baike.baidu.com/item/%E5%8F%B6%E4%BC%81%E5%AD%99)。清华大学的新闻网页上有一个“学风建设在路上”的主题,校史馆的供稿《重质不重量》包含了叶企孙先生创办物理系的方针,部分内容为:“在教课方面,本系只授学生以基本智识,使能于毕业后,或从事于研究,或从事于应用,或从事于中等教育,各得门径,以求上进。科目之分配,则理论与实验并重,重质而不重量。每班专修物理学者,其人数务求限制之,使不超过约十四人,其用意在不使青年徒废其光阴于彼所不能学者。此重质不重量之方针,数年来颇著成效。”“本系所有仪器,约值国币十一万元,书籍及杂志足敷参考之用。本系设有工场,能自制精密仪器。”供稿附上了“叶企孙批改的李政道当年电磁学考卷”,这有什么深意呢?李政道先生清华求学时理论很好,电磁学理论考卷满分60分,他得了58分,但实验满分是40分,叶企孙先生只给他25分,最后的总成绩是83分,这件事情反映了叶企孙先生坚持理论和实验并重的教育理念,并深深地影响了李政道先生。(“重质不重量”网址链接:https://www.tsinghua.edu.cn/info/1686/70399.htm“大师和他收藏的试卷”网址链接:https://www.bilibili.com/video/av80450900/

我在清华读博时,物理系给每个人都发了一本邢军纪撰写的书籍:《最后的大师:叶企孙和他的时代》,第一次读这本书时心灵就被震撼到了,在这本书中我不但了解到清华的历史和一些物理学家的事迹,还知道了几位爱国青年,韦杰三是“为了中国而死的中国青年”,他要是不去参与游行示威,他可能也会成长为一名优秀的物理学家。毕业后这本书我带到了现在的工作单位,时不时翻出来看看,默默地向老校友们学习。

回到量子计算的问题,我反对量子计算,原因是理论与实验严重不符。正如国内量子学术权威专家的解释,量子计算的物理基础是量子叠加和量子纠缠,一些人认为量子计算机的数据存储能力和数据处理能力都随着量子比特数目呈指数增长,其数学形式即2^N,因此量子计算机要优于经典计算机。理想很美好,但现实很残酷,无论发多少顶刊,这种量子计算机永远都造不出来。国内量子学术权威专家说,量子比特数目为250个时,存储的数据量比宇宙中所有原子的数目还要多,而最新的报道是在一块硅芯片上造出了15万个量子比特,实际上量子计算的泡沫已经破裂。普通人不明白量子叠加和量子纠缠,无法辨别量子计算的真假,其实量子计算、棋盘麦粒和折纸都是2^N的数学问题。在一个有64个格子的棋盘上放麦粒,第一个格子放1个,第二个格子放2个,第三个格子放4个,然后依此类推,后面每个格子所放的麦粒数量是前一个格子的两倍,如果把64个格子放满,需要的粮食数量是很惊人的,我之前的博文《棋盘里放麦粒的故事你只知道一半》就讲了这个故事(网址链接:https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=310789&do=blog&id=1345957)。折纸的问题也是一样,把厚度为0.1毫米的纸张对折50次,厚度达到1.1亿千米,可以来回金星一次,折一次卫生纸的难度肯定小于造一个量子比特的难度,而九章和祖冲之量子计算机的量子比特数目都大于50,我之前的博文《用折叠卫生纸的实践来否定量子计算工程应用的可行性》专门描述了这个问题(网址链接:https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=310789&do=blog&id=1345577)。显然,麦粒装满64个格子和折纸50次在实验上都是不可能完成的。我曾看到一个有关指数增长的彩礼故事,在这里分享给有女儿的读者们:小伙找未来的老丈人提亲,老丈人给女婿说不要30万或50万的彩礼,要求小伙第1天给他一分钱,第2天给他两分钱,往后每天是前一天的两倍,连续给他一个月(30天),他就把女儿嫁给小伙,当时小伙高兴坏了,以为占了大便宜,还非常感谢叔的成全,立马把一分钱转给了老丈人,怕老丈人后悔,傻傻的小伙在最后十天肯定崩溃了,感兴趣的读者可以算算,小伙的彩礼需要多少钱。以上例子都是2^N的数学问题,换个视角就很容易识别量子计算的骗局,处理一个科研问题,理论和实验必须结合起来。坚信量子计算有前途的男学生,我祝福你遇到如上所述的好岳父。

接下来讲讲我对量子力学的看法,一些网友和同学对我有误解,也在此澄清。我在兰州大学和清华大学分别学习了量子力学和高等量子力学,授课老师都算是教育界的名师,两门课的考试成绩都是及格的。我在不同的交流场合都讲过,我不反对量子力学,我只是反对量子信息,因为More is different,量子力学和计算机科学是不同的两个科学层级。国内可能没有把量子力学的科学层级定义清楚,实际上量子力学并不是万能的理论,并不能适用于所有的科学层级,我认为量子力学不适用于解释谈恋爱,也不适用于描述单个粒子在固定物理场中的运动,甚至不能用于指导实验上单个量子比特的操控。国内量子权威专家也批评,量子力学不能用于实现人的异地空间传送,量子密码也并非绝对安全,不实宣传和夸大炒作,造成量子世界的奇谈怪论(网址链接:https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2022/6/481039.shtm)。我在博文《弱磁场中铷原子磁共振塞曼跃迁调控实验的实验数据分享》中写到:量子力学是基于统计学实验(例如黑体辐射和原子光谱)总结的统计学规律,部分理论的正确性已被统计学实验所验证,但将量子力学的基本概念(例如量子叠加态和量子纠缠)直接用于实现单个量子比特的操控并不合适,甚至会得出错误的结论。那些误解我的网友和同学们,我设计搭建了抽运-检测型原子磁力仪,实现了二能级磁共振塞曼跃迁的调控,还将抽运-检测型原子磁力仪用于矢量磁场测量、电流测量、磁矩测量、软磁材料磁特性曲线的测量,上述实验都是我亲自设计和实施的,读者可参考本人作为第一发明人的受理专利。我重视理论和实验的结合,没有理论的支持,那些实验是无法完成的。在知乎上有这样一个问题:有没有可能量子力学是伪科学?我的回答是:“量子力学不算伪科学,在统计的意义上,它是相当精确的,但问题是把它用于单次量子跃迁,这就不对了,单次量子跃迁是确定性的。例如抛硬币,抛1亿次,向上的概率接近50%。但只抛一次,如果能考虑所有影响硬币运动的因素,例如抛出动能,转动角动量,空气阻力,桌面与硬币作用点,桌面不平整度等等,硬币最终正面向上还是向下,还是确定性的。现在的问题是,把统计意义上的概率性错误地应用在单个量子跃迁过程上。量子信息领域的应用,工程上都绕不过对单个量子比特的操控,仔细琢磨,定域性和因果律还是本质的。”在上一个博文《量子计算我们只能相信权威?》中,我和王涛老师有互动,我认为量子力学是基于统计学实验总结的一些统计学规律,我反对量子信息的物理基础,因为对单个或几个量子比特的描述,已经不能算统计规律了。王涛老师回复“统计规律不就是对大量的单量子系统得来的么?这里边,您的描述还是不太清晰的。这里有两点,一是如果量子力学是统计规律,那么就一定对单个量子系统是成立的(不管是对单体成立,还是平均成立),二是因为是统计性质的,所以对于单体系统来说,会给出随机性的结果,所以这类系统的可控性在哪里?如果实现了可控性,这种量子性还会保持么?王老师的理解和我一位做理论研究的本科同学很像,我和这位本科同学就二能级磁共振塞曼跃迁调控的物理问题讨论了很久,每次打电话都是一两个小时。在发明专利《一种磁共振塞曼跃迁调控的实验装置及方法》中我指出:“该发明可被看做是对单个原子磁矩的非破坏性测量,在王义遒先生编著的《原子的激光冷却与陷俘》(北京大学出版社,2007)书籍中第58页第一段第5行指出,当一群原子的波函数相位是一致的(或称为原子状态是相干的),这群原子可以看成是一个。”我的本科同学在这一问题上与我分歧较大,最后我只能求助王义遒先生,向王校长撰写了题为《关于一群极化原子是否可等效为一个原子的学术讨论》的邮件,王校长用微信向我回复:“我的意见是考虑驰豫后就可以看成是一个宏观粒子的行为,这就是Bloch方程的本质。但这一般是对二能级而言,对多能级原子,情况复杂些,但原则上也可这样处理的。”我与本科同学的学术争论就此结束,王涛老师可以通过上述学术讨论重新审视下自己的学术观点。我继续以抛硬币举例进一步解释王老师的问题统计规律告诉我们,我们闭着眼睛抛一次硬币,正面向上和向下的统计概率都是1/2,但当你抛出硬币后,正面向上或向下已经是确定性的了,我们不能说抛完硬币后正面向上和向下是同时存在的,然后我们睁开眼睛一看,正面坍缩到向上或向下,这样的理解是错误的。为什么多次抛硬币,统计实验得到正面向上的概率接近1/2?那是硬币本身的形状所决定的,实际上它还有极小的概率立起来,正面既不朝上,也不朝下。假如把硬币加厚,正面朝上的概率会小于1/2如果变成长棒了,那正面朝上的概率要接近零了,因为棒子躺着的概率接近100%。量子力学是需要发展的,目前我们实际上不知道原子具体的内部构造,将来利用激光设计相关实验来分析原子内部结构,显然是一个很好的课题,这种实验类似于固体物理中XRD分析晶体结构的实验量子计算的研究显然更偏向于理论,并非实验,那些号称实现了“量子霸权”的量子计算机,实际上属于炒作,可信度不高。

基于多年物理的学习,我不支持全面否定量子力学的做法,玻尔的旧量子论虽然粗糙,但也揭示了原子内部的一些规律,理论推导还容易记忆;处理磁共振塞曼跃迁问题时薛定谔方程与经典物理推导出来的表达式等价,也揭示了一些物理规律。实际上物理学家为了解释和描述一些复杂的物理问题,提出一些简化的物理概念来描述物理现象,这种做法是不可避免的,例如固体理论中的一些元激发概念,包含声子、激子等。我所在单位生产原子钟,我问过一些研究员、设计师和实验员,量子力学在原子钟的研制和生产中有多大的作用?大部分同事告诉我,作用不太大,他们仅仅知道铷原子或铯原子分别能和6.8 GHz9.2 GHz的微波产生共振,研制和生产中用到更多的是经典物理学的知识,包括微波腔设计、电路设计、基于经典物理学的仪器仪表使用等;在讨论铷钟和铯钟物理问题时,大家会说用到哪些能级的跃迁,但在产品设计、研制和生产环节,不会用到光子的概念,电磁波仅仅讨论波动性,不会考虑粒子性,原子钟的目标是使晶振输出稳定的频率,频率与粒子性无关。我研究原子磁力仪也一样,基本只用经典物理学的知识。基于实验经历我可以做出这样的判断:只要亲自去设计和实施实验,不会考虑电磁波的粒子性,例如亥姆霍兹线圈和微波腔的设计和操作一般都不会用到光子的概念。这里需要强调的是,实验曲线的拟合是理论分析过程,不属于实验。基于上述的分析,一些网友和同学误解我,最大的原因是他们没有做过相关实验,他们要么盲目地相信所谓的学术权威,要么根本没有考虑过要把理论和实验结合起来分析物理问题,或者不能区分数学和物理实在。我在之前的博文《量子计算机的物理基础牢固吗?》中总结到:普朗克一生都是量子论的怀疑者;爱因斯坦、德布罗意、薛定谔一直在强调量子力学的缺陷,并尝试将量子力学回归经典理论;狄拉克承认爱因斯坦是正确的,并认为量子力学不是最后形式,要做些改变,引进决定论就要牺牲现在某些科学家的一些见解;费曼认为量子力学存在失败的可能性,因为量子力学在测量和观察的问题上存在与哲学偏见有关的某些困难(网址链接:https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=310789&do=blog&id=1334072鉴于这么多量子力学开创者指出量子力学存在的问题,国内的网友和师生们就不要继续迷信量子力学了,不妨多花点时间去实践,有实验条件的可以重新做一做施特恩-盖拉赫实验,挖掘一下原子的自旋取向是否真的是量子化的,难道自旋取向不能是遍历空间立体角的?未来一百年,估计会有越来越多的实验科研工作者得出量子跃迁过程是确定性的、是连续性的结论,他们会重视相位的问题,抛弃波函数坍缩的概念,当物理学中的决定论再次被引入,量子信息科研方向就会被抛弃。

一些老师和同学认为我反对当下国内对量子领域的大规模资助,我需要澄清,我并不反对,反而支持。我只是反对把大量科研经费和人力资源投入到量子信息领域,原因不再赘述,我强烈支持把科研经费和人力资源投入到精密测量领域,包括研制各类精密测量仪器或传感器(例如原子钟、原子磁力仪、原子陀螺仪、原子重力仪等),以及把各种物理量溯源至自然基准。从事过精密测量实验的科研工作者一般会认可定域论和因果律,不会相信超距量子纠缠。未来国内工业界的产业升级会用到越来越多的、与原子内部稳定结构联系起来的精密测量技术,例如北斗、5G、未来的计算机都会用到原子钟技术,国外已有实验室把电脑主板上的晶振替换成芯片原子钟,提升了电脑的运行速度;例如国内有科研单位用原子磁力仪做低噪声的恒流源,把电流量值与晶振的频率或原子钟的频率联系起来;飞行器姿态控制、自主导航会用到陀螺仪;精密测量技术还能提升工业加工和控制精度,有数不清的应用场景。我曾在博文《分享一件专利:基于量子自然基准的正弦交变电流的测量装置及方法》中指出,拉莫尔进动可被认为是一种天然的自然基准,而约瑟夫森效应是基于人造器件发现的一种量子化现象,这种物理现象需要向约瑟夫森结馈入微波,那么微波频率与约瑟夫森结的结构有什么具体的联系呢?选用不同尺寸、不同材料、不同工艺的约瑟夫森结,能否像分享的专利那样,讨论共振的效应呢?有没有类似旋磁比一样的物理参数来区分不同尺寸、不同材料、不同工艺加工的约瑟夫森结呢?国内有没有批量生产约瑟夫森结的企业呢?国内能不能造出SQUID呢?这是争取该领域话语权需要考虑的问题。更进一步地,爱因斯坦等人“EPR佯谬”问题的本质是量子力学中的态叠加原理和不对易关系,正是因为位置与动量的不对易关系演化出了后来的“超距量子纠缠”概念,而不对易关系与“不确定性原理”有关,学术界和工业界能否基于现有工业基础水平和具体实验技术重新阐述“不确定性原理”呢?就像不同精度的固定频率可通过晶振、铷钟、铯钟、氢钟、冷原子喷泉钟、光钟等具体的技术手段获得,就像商用电流源说明书中都标有具体的精度,就像抽运-检测型原子磁力仪能够测量电流源的噪声(网址链接: https://blog.sciencenet.cn/blog-310789-1313600.html)。如果将来人们接受了量子跃迁的过程性和连续性,现在的电压基准和电阻基准有没有必要改进呢?精密测量领域可供花钱的地方太多了,专业的科研人员也远远不足,从事量子信息的年轻人可以去做精密测量嘛,学生毕业找工作也比较容易。

一些网友和同学认为我在网络交流学术的行为是为了给自己谋取利益,我不明白他们的逻辑。举些例子,我在20208月份完成了二能级磁共振塞曼跃迁调控的实验,那时候没有任何立项,9月份我就和清华北大的好几位老师同学交流了实验结果,11月份就将实验结果和部分实验数据分享在互联网上,我在20214月份才申请了专利,和同事讨论时只要认可我实验结果的,我都列为发明人,所以发明专利《一种磁共振塞曼跃迁调控的实验装置及方法》有17个发明人。由于我主持的项目较多,每个项目都需要亲历亲为,写文章的事情总是拖着,磁共振塞曼跃迁调控的实验结果到现在还没发论文。我认为别人复现实验抢先发表文章也没有关系,那样我就找到志同道合者了。我曾给院士写过信,给兰大物理院领导和清华大学实验物理教学中心提过建议,甚至谋求企业家的经费支持,目标是在其他单位复现并在国内推广二能级磁共振塞曼跃迁调控的实验,这是我的一个科研梦想,而且我认为这是一项比发论文更紧迫的事情。我曾有机会获得比较多的经费,但我认为项目指南列出的技术指标是现有工业水平达不到的,我拒绝了;还有其他不可说的获利方式,我也没有答应。从以上事实分析,我已经错过好几次能够获利的机会,我为自己谋利的逻辑是讲不通的。相反,互联网的学术交流可能会给我带来麻烦,今天某位学者用微信语音给了我很多建议,讲述了好几位反对量子信息的学者所遭受的麻烦,建议我做好自己的工作就行,不要随便发表意见。我十分感激他,并向他保证以后会注意。但想到杨靖宇将军,想到韦杰三烈士,即使未来可能会遇到困难,有些事情还是需要有人去做的,不能总是让退休的老教授们站出来,我也是在为自己的科研梦想而奋斗,为量子科技的革命而奋斗。假如未来给我一次选择获利的机会,我想证明国内培养的土博士不比海归差,国内的土博士理应获得和海归同等的求职机会、科研资源配套和薪酬待遇。

温铁军教授曾说,老百姓对现在的教育是不满意的,而且我认为大多数研究生和青年科研工作者对现在的学术环境也是不满意的。研究生叫导师为老板,大课题组里有一个大老板和数个小老板,学生好几十个,这种称谓和现象已经很普遍了。我曾和几位高校青年教师交流,有人认为目前高校有这样一个现象,做什么课题发什么文章并不重要,忠诚很重要,我从这种观点中基本找到了量子信息能连续炒作十几年的原因,一线科研工作者不敢违背大老板的学术观点和决策。国内的高等教育需要改革,怎么改革呢?实际上叶企孙先生已经给出了很好的教育方法:理论与实验并重,重质而不重量,而且历史已经证明这种方法切实可行。高校和科研院所应该将纳税人的钱花在该花的地方,有时候撒撒胡椒面也挺好,一两家独大了并不是好事,引入竞争和优胜劣汰也许是更好的办法;要逐步摆脱买买买,要能自制精密仪器”,做求真务实的科研,做能落地能应用的科研,在社会上扶持一批做高科技真产品的企业,逐渐变成卖卖卖,国内产业升级成功了,大量毕业生就业有保障了,民族复兴就水到渠成了。

最后,我建议本科生和研究生多看看艾跃进教授的讲课视频,青年要有血性,三观要正,要勇于和不合理的现象做斗争。

2022719

 




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