量子通讯和量子计算机：“难以实现”还是“不可能”？

  近年来，量子通讯和量子计算机（以下简称量通量计）成为了大众媒体的热点，隔三差五就有“重大突破”的新闻。尽管20几年前量通量计领域的从业者就宣称“有望在20年内实现量子通讯和通用量子计算机”，在量通量计“重大突破”性成果井喷式爆发的今天，这些从业者却依然重复着他们20年前的承诺或愿景。他们公开承认，尽管量通量计前景诱人，成功在望，但是要真正实现并投入到日常生活中应用，依然存在巨大的困难。然而，有趣的是，尽管已经明言要真正实现量通量计还存在难以克服的困难，但世界各国特别是中国，从政府到企业却已经形成了趋之若鹜、争先恐后的效应。在被米国进行高科技卡脖子的背景下，中国大有将量通量计作为科技创新突破口，进行弯道超车的战略意图。

量通量计按其从业者的描绘的确前景诱人：量子通讯可以做到绝对安全不可破译，做到绝对的通讯安全；量子计算机运算速度超强，是超级计算机的亿亿忆倍，还具有强大的并行处理能力，非常吓人。在这种“诱人”的前景下，再大的困难都不能阻挡人们勇往直前。人们信奉这样的信条：只要钱能解决的问题就不是问题。因此，国家大量的研究经费和企业资本蜂拥而入，加入了量通量计的赛道。然而，问题是量通量计的困难真的是钱能解决的问题吗？

没错，许多工程技术问题的确靠砸钱就能解决。但这必须有一个前提，这些工程技术问题的基础必须是有可靠的科学基础的。如果缺乏可靠的科学基础，那就永远不可能解决，砸再多的钱都没用。比如，第一类永动机就永远不可能制造出来，无论你砸再多的钱也无济于事。

那么，量通量计究竟是“难以实现”的高难度工程技术问题，还是缺乏科学基础的“不可能实现”的“永动机”呢？

我们来看看一看量通量计的科学基础是什么。量通量计从业者号称量通量子是基于量子叠加和量子纠缠。

那么，什么是量子叠加呢？按照量通量计从业者的说法，量子叠加指的是一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上【1】。他们经常用“薛定谔的猫”可以处于既死又活的状态来加以说明。在量子力学中，量子态包括叠加态仅仅是一种数学描述，它们并不是真实的物理状态。如果要对所谓了量子态进行实际的物理观察，就会发生所谓了“波函数坍缩”。也就是真实的物理世界根本不存在所谓的量子态，更不用说什么量子叠加态。

什么是量子纠缠呢？这个术语其实是薛定谔看了爱因斯坦及其助手质疑量子力学哥本哈根诠释的论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的？》（后被称为EPR佯谬）后提出来的。在爱因斯坦他们的EPR思想实验里，假设了两个暂时耦合的粒子，不再耦合之后彼此之间仍旧维持的关联。为了方便表述，薛定谔就将这样的两个耦合粒子存在的关联现象称为“量子纠缠”。可见，所谓的“量子纠缠”也仅仅是爱因斯坦及其助手们假想的一种量子关联的状态，并非是对真实物理状态的描述。

可见，量子态、量子叠加态不过是量子力学波函数这种数学描述的“数学状态”并非物理状态，而量子纠缠则更是假想出来的根本不存在的东西。基于数学描述的量子叠加和根本不存在的假想的量子纠缠，能够做出真实存在的、看得见、摸得着的、实实在在的宏观物理应用通讯设备和计算机吗？答案似乎是显然的。

有人会说，不对吧，新闻不是早就报道了“某某量子通讯干线”开通，甚至“某某量子通讯卫星”也上天了呀！不是早就听说谷歌的“悬铃木”量子计算机研发成功，中国的某某量子计算机甚至已经比超级计算机快亿亿亿倍吗？这些难道都是假的吗？

我当然不敢说它们是假的，这些新闻当然都是真的。也就是说开通“量子通讯干线”、发射“量子通讯卫星”以及“悬铃木”或某某量子计算机问世这些事情都是真的。有这个事情，与这个事情的具体含义是什么，是完全不同。这一点需要大家搞清楚。

我不想说某某“量子通讯干线”或某某“量子通讯卫星”是否真正实现了所谓的“量子通讯”。我只告诉大家，可以去看“量子通讯”从业者们自己写的论文或文章，他们自己讲的是做“量子密钥分发”实验或验证。他们自己讲的，“希望通过20年、30年的努力推广量子保密技术”，他们甚至还不敢讲实现“量子通讯”。大家要清楚，“量子密钥分发”仅仅属于“量子保密技术”，还不等于“量子通讯”。你可以捣鼓某某技术，但是否真正能实现通讯，就看你是否能发送和接收自然语言信息。比如，你发送一个“Hello”，或者“你好”，对方接受到了，就算实现了通讯。你不能说你捣鼓半天，不，是20年，结果连发送一个“Hello”或者“你好”都做不到，你能说你实现通讯了吗？你当然可以狡辩说，我在捣鼓的过程中，对某某高级的技术做了很多研究，取得了国际瞩目的成就，等等，但你没有实现通讯就是没有，这是事实。我这样讲，希望大家能明白。

至于“悬铃木”或某某量子计算机实现了所谓的“量子霸权”或“量子优越性”，运算速度比现有的超级计算机快亿亿亿倍，这些都属于商业炒作。实际情况是，这些所谓的“量子计算机”根本就不是计算机，连个计算器都不算。因为它们压根就不能算数，连1加1这么简单的数都不能算，更不用说进行文字或图像信息处理了。它们是什么呢？它们正式的称呼叫“原型机”或“模拟机”。实际上，它们就是利用光或者电子在特定条件下（比如在超低温条件下）做一些特别设计的物理实验，类似于蒙特卡洛模拟实验，以解决特定问题（比如玻色采样）的装置。如果拿那个号称比超算还快亿亿亿倍的波色采样“原型机”去做1加1的算术，它就做不了。可见，尽管满世界宣称成功研制了“量子计算机”、实现了“量子霸权”，那不过是做了一个毫无任何应用价值的、昂贵的高级“玩具”。当然，并非量子计算机从业者们傻傻不知道什么是计算机，他们当然知道。但他们业内偏偏就是要把“量子模拟机”或“量子原型机”叫做“量子计算机”，这样叫的好处当然有很多，大家懂的。当人们质疑他们的时候，他们才会告诉你，大家想要的“量子计算机”在他们业内叫做“通用量子计算机”。他们会告诉你，“由于技术上的巨大挑战，何时实现通用量子计算机尚不明确，学术界一般认为还需要20年甚至更长的时间。”

大家看见没有，如果要炒作时，他们就会兴高采烈地说开通了“量子通讯干线”，发射了“量子通讯卫星”，研制成功了比超算快亿亿亿倍的“量子计算机”。当人们较真质疑时，他们才会慢慢告诉你，他们现在做的其实是“量子密钥分发”，是“原型机”、“模拟机”，真正的“量子通讯”和“通用量子计算机”至少还需要20、30年甚至更长时间。

鉴于二三十年前同样是这批从业者也说过同样的话，那么我们就要问了，二三十年后他们能够实现他们的承诺吗？有人可能马上会心一笑：到那时他们早就退休了，甚至作古了。凯撒说“我死后那管他洪水滔天”！当然，到那时量通量计从业者并非同时退休或全部死亡，他们还有后来者。二三十年后这些后来者是否还会重复他们的前辈的承诺“还需要20年甚至更长的时间”？为了那“诱人”的前景，难道我们需要每隔二三十年再不断地继续重复下去吗？

不，我们现在就应该严肃、认真地面对这个问题：量通量计究竟是由于技术难度太大而难以实现，还是因为它们缺乏科学基础，是永远“不可能实现”的“永动机”呢？

据从业者们说，量通量计的技术难题有很多。量子通讯的技术难题主要是所谓的“单光子操控技术”。首先要能够产生单光子，制备出单光子发生器。然后要进行单光子传输，最后要有单光子接受装置。目前的作为单光子源实际是极弱光，无法保证单位时间间隔内均匀发送单个光子。而单光子的传输则更加困难，单光子能量极小，传输过程中除非在真空环境下，否则其背景“噪声”远远大于单光子。由于单个光子的偏振和光子之间的纠缠很容易被各种噪声干扰，因此需要很多精巧而昂贵的仪器设备来维持所谓的“量子信道”。即便如此，量子信道中也有光子耗散问题，这就需要所谓的“量子中继”。量子中继不仅要补充光子，而且补充的光子要和损耗的光子具有完全相同的偏振态。但是根据所谓的量子不可克隆定理，无法直接通过克隆的办法来补充相同偏振态的光子。即便能够克隆并补充相同偏振态的光子，如何知道究竟是哪些光子被耗损了呢？这给量子中继造成了巨大的技术障碍。而单光子接收也是一个大问题，同样单光子接收器需要排除背景噪声，背景噪声往往比单光子还大。此外，任何能量转换效率不可能100%，单光子接收器转换的能量必将小于单个光子的能量。因此，单光子能量极小不足以将单光子能量转换为可检测的电信号，所谓的单光子接收器也就不可能探测到单光子。现在搞的所谓“量子通讯”实验根本不是真正的量子通讯，而是所谓的“密钥分发”。北大吴飚教授明确断言：“量子通信永远也不会取代经典通信，走进我们的日常生活”【2】。

建造量子计算的最大困难被认为是退相干。人们努力寻找减小退相干的办法，比如，寻找容易操控的量子比特，将量子计算机放置在非常低的温度环境。目前基于超导约瑟夫森结被认为是国际上绝大多数实验组都倾向于使用的元器件。为了让量子计算机更强大，必须集成更多的量子比特，而量子比特的数目越多，它们就越可能与门器件和环境发生纠缠，就越容易发生退相干。这种两难的困境被认为是当今面临的最大技术挑战，这个技术难度被认为比仿造人脑更难。事实上，“退相干”是不可避免的。因为用波函数描述微观粒子的所谓量子态终究是数学描述，而微观粒子终究要结合形成宏观物体，或者要与宏观物体产生相互作用，也就是说它必然会以某种确定的状态出现。那种概率的、不确定的状态不过是一种数学状态，而物质粒子的作用一旦发生就不再是“可能的数学状态”，而是确定的物理状态。显然，那种存在于数学公式或者人脑中的波函数，可以用来描述各种各样的粒子的“量子态”，一旦将这些粒子用于建造看得见摸得着的实物“量子计算机”时，这些波函数就失去了任何意义，因为我们不能在头脑中幻想或者在电脑中虚构出具有实际运算性能的“量子计算机”。

显然，要实现量通量计，其技术难度不是说“很难”，而是“不可能”。

下面我们从科学角度作进一步分析。

前面已经介绍，所谓的“量子叠加”和“量子纠缠”，要么是数学描述的数学状态，要么是假想出来的虚构现象，本身就没有客观实在的物理基础，自然就不用说什么科学基础。但我们还是要给大家讲一下量子力学的一些基本概念，让大家理解为什么“量子叠加”和“量子纠缠”缺乏物理基础和科学基础。

量子力学最早的奠基人是普朗克，他为了解决黑体辐射问题提出了“能量子”假说，后来爱因斯坦在此基础上提出了“光量子”假说。这是最早的“量子”概念，其主要内涵是“量子”是最小的一份能量，无论是发生辐射还是发光都是以“量子”为单位一份一份地发出的，接收能量时也是如此。应该说，量子的概念是一个划时代的伟大概念，是天才的想象。可惜的是，普朗克和爱因斯坦给出的“量子”能量的公式E=hv是错误的，由此给后来的量子力学埋下了隐患。后来，玻尔在罗瑟福的原子核式结构（行星模型）基础上提出了氢原子结构理论，该理论提出了两个量子化假设，一个是电子轨道量子化假设，另一个是电子跃迁假设。这是非常了不起的理论突破，第一次解释了氢原子光谱产生的原因，解释原子辐射和接收光波的物理机制。然而，由于玻尔的理论完全是基于量子化假设，没有对此作出经典物理学解释，因此当时的人们觉得微观世界可能与宏观世界存在不同的物理规律，人们就把对微观世界出现的量子化现象的研究叫做量子力学，而将之前的物理研究叫做经典物理学，通常研究对象为宏观世界。爱因斯坦后来用光量子假说解释了光电效应，提出了光的波粒二象性的观点。德布罗意受此启发，迅速提出了“物质波假说”。如果物质粒子有波动性，那么就应该可以由波动方程来描述，因此薛定谔在此基础上建立了著名的“薛定谔方程”，该方程成为了量子力学最核心的内容。薛定谔方程是一个很奇怪的方程，以至于有人说甚至薛定谔本人都不懂薛定谔方程。它的奇怪之处在于，尽管薛定谔方程的波函数是为了描述粒子的波动性而建立起来的，但它却并不表示粒子的运动轨迹，波函数模的平方居然表示粒子出现在空间某个位置的概率，还能通过解薛定谔方程得到粒子状态的所谓“本征值”。“本征值”对应的波函数就是所谓的“本征函数”，它包含了粒子所有可能的“量子态”。人们通过解氢原子核外电子的薛定谔方程，居然也能得到玻尔氢原子结构理论相同的结果。因此，人们对薛定谔方程崇拜得五体投地，一门新兴的现代量子力学宣告正式诞生。然而，薛定谔方程的神奇却让薛定谔本人产生了困惑：波函数是一个数学工具，它有实际的物理意义吗？如果说没有，它为什么能够刻画量子的状态？如果说有，那么谁能给出具体的物理解释？此时由于戴维逊、革末和汤姆逊先后发现了电子的衍射现象，人们认为德布罗意物质波假说得到了验证。后来，费曼提出著名的单电子双缝干涉思想实验，为了解释该思想实验，波恩提出了“几率解释”，该解释附和了海森堡提出的测不准原理。这样，波函数的模的平方代表粒子出现在空间某处的几率也就与电子的双缝干涉解释完美契合了。此后，为了调和微观量子现象与宏观物理规律之间的平衡，玻尔提出对应原理，认为当量子趋近于宏观极限时，量子力学得到的结果应该与经典物理学一致。到此，量子力学的哥本哈根诠释成型，并成为了量子力学的主流诠释。然而，薛定谔对量子力学的几率诠释并不满意，对此不满意的还有普朗克、爱因斯坦和德布罗意等。薛定谔提出了著名的“薛定谔的猫”思想实验，认为量子的所谓不确定性仅仅是一种数学描述，它如果延伸到宏观层面就必然导致“猫既死又活”的荒谬状态。也就是说，波函数描述的不可能是真实的物理状态。而有人则认为，波函数描述的量子态是真实存在的，只不过当人们观测时它就会瞬间发生“坍缩”，变成我们看到的确定的状态那个样子。爱因斯坦及其助手提出EPR思想实验，认为假设存在两个“纠缠粒子”，其中一个被观测时，变成了确定的状态，那么另一个无论在在多远，也将瞬间确定其状态，那么就将违反其相对论。此外，一个粒子的状态被确定的瞬间，另一个与之“纠缠”的粒子也被瞬间确定了状态，这种纠缠粒子之间的相互作用实在是太诡异了。因此，爱因斯坦认为这种所谓的观测导致波函数瞬间坍缩的说法是不靠谱的。量子力学的历史回顾到此，我们就能明白所谓的“量子态”、“量子纠缠”是怎么回事了。由于量子的波动性，波与波之间是可以相互叠加的，所以波函数具有线性可叠加性，所谓的“量子叠加”就是波函数的线性叠加。而“量子纠缠”就是爱因斯坦及其助手提出的思想实验，是假想出来的两个相互关联的耦合粒子，无论相距多远都存在这种耦合作用。爱因斯坦他们做这样的假设，目的在于反驳观测导致波函数瞬间坍缩的说法。而爱因斯坦他们假设这种所谓的“量子纠缠”的现象是根本不存在的。因为世界上根本没有这样两个相互耦合的粒子，相距一亿光年也能发生相互作用。实际上，目前所知的基本粒子之间，所谓的强力和弱力都是短程力，强力的作用范围在10^-15m范围内。而引力和电磁力的作用力大小与距离的平方成反比，当距离增大时相助作用力急剧下降，到一定距离就可以忽略不计了。因此，完全不存在所谓的无论相距多远都能相互作用的耦合粒子，也就是说爱因斯坦他们假想的所谓“量子纠缠”是根本不存在的。

可见，“量子叠加”不过是波函数这种数学描述的产物，而这种数学描述碰到物理现实时却瞬间“坍缩”，这本来就是预示着这种数学描述不可能反映了真实的物理状态。而“量子纠缠”则更是荒唐，是爱因斯坦他们假想出来的用于反驳观察导致波函数坍缩说法的，根本就不存在的现象。大家这回应该能够清楚地明白，量通量计就是建立在“量子叠加”和“量子纠缠”的基础上的所谓技术，其缺乏物理基础不是显而易见了吗？

而所谓的“量子叠加”是在波函数的基础上才有的东西，而波函数又是薛定谔方程所描述的粒子的波动方程，它又是建立在德布罗意物质波基础上的，物质波假说又是建立在爱因斯坦“光的波粒二象性”基础上的，而“光的波粒二象性”又是建立在爱因斯坦的“光量子”假说基础上的，“光量子”假说又是建立在普朗克的“能量子”假说基础上的。好了，如果“能量子”“光量子”这个“量子”概念本身就存在瑕疵呢？显然，量子力学后面的一切都必然存在问题，也就是说在科学上是有问题的。

我们来看普朗克的“能量子”和爱因斯坦的“光量子”的“量子”概念是否存在瑕疵。普朗克“能量子”和爱因斯坦“光量子”所指的“量子”概念，明确指的是一份最小的能量。所谓最小的一份能量，就是最小的能量单位。所有的能量都是由该能量单位组成的，是该能量单位的整数倍。但是，普朗克和爱因斯坦却将量子的能量表述为E=hv（h为普朗克常数，v为电磁辐射或光的频率），也就是说量子的能量随着电磁辐射或光的频率而改变，这样就与量子是最小的一份能量的定义相矛盾了。笔者经过研究发现，一个量子的能量就是数值上等于普朗克常数h，单位是焦耳，即6.62607015×10^-34焦耳。这个量子的能量为什么是固定不变的这样一个数值呢？这就要从光量子的产生和吸收的物理机制说起。经典电磁学认为，电子在磁场中加速运动将辐射能量。之前人们认为，电子绕原子核做圆周运动，由于电子绕核做圆周运动也是加速运动，因为存在向心加速度，因此电子就会不断辐射能量，最后掉进原子核。但事实上电子并没有掉进原子核，而是稳定存在，构成稳定的原子。可见，事实上电子的匀速圆周运动是不会辐射能量的。因此，本人认为，只有电子绕核做加速圆周运动时才会辐射能量。在这一观点的基础上，很快就认证了单位电荷（电子）绕核加速运动一周就辐射一个单位能量，这就是一个光量子的能量。由于普朗克常数的物理含义是最小作用量，由此可以得出量子能量的最小单位就是数值上等于普朗克常数h，单位是焦耳。由于电子加速绕核运动一周就产生一个电磁震荡，显然一个量子就是一个电磁震荡周期的电磁波。至此，量子的概念及其物理意义就被彻底厘清了。基于这样一个修正的量子概念，本人提出了电子跃迁功率的概念，第一次采用经典物理学解释了一百年来被认为无法用经典物理学解释的量子跃迁现象。同时，基于该修正后的量子概念，完全采用经典物理学基本原理推导出了与玻尔氢原子结构相一致的电子轨道量子化结果，还解释了光电效应。此外，还推导了类氢原子的椭圆电子轨道量子化结果。相关论文发表在Physics Essays（见参考文献【3，4】）。也就是说，只要采用本人修正的量子概念，就根本不需要玻尔、索末菲的量子化假设，用经典物理学基本原理就能解释电子轨道能级的量子化现象，也能解释光电效应，从而完全消除了所谓量子力学与经典物理学之间的边界或鸿沟。基于本人修正的量子概念，能够清楚地理解所谓“光的波粒二象性”，光的波动性就是交替震荡的电磁波，而一个电磁振荡周期的电磁波就携带一个量子的能量，这个量子的能量可以被一个电子吸收从而做减速圆周运动以增大运动半径、提升势能。也就是说，一个量子的能量可以作为一份独立的能量团被电子辐射出去或被电子吸收，就好比它是一个“粒子”一样，也就是具有所谓“粒子性”。但是，这个“粒子性”仅仅是一个比喻，因为它不具有物质结构和物质属性，因而并不是真正的实物粒子。因此，失去了光的实物粒子的性质，从“光的波粒二象性”就不能得出实物粒子具有波动性的结论，因为光与实物粒子之间并不具有类比性。德布罗意的物质波假说显然就丧失了基础。基于德布罗意物质波的薛定谔方程显然也成了无源之水、无本之木。实际情况是，物质波假说中的物质波指的是实物粒子具有波动性，但薛定谔方程本来要描述这种波动性，结果却变成了波函数描述粒子出现在空间某处的几率，物质波最后变成了几率波。这其中本身就存在偷换概念或概念不一致的问题。而基于修正的量子概念，就不再有所谓的物质波，不再需要薛定谔方程，也就根本不需要所谓了量子力学哥本哈根诠释以及其它各类诠释。当然，也就不再存在所谓的“量子叠加”，更没有什么“量子纠缠”。这一切现代量子力学的困惑统统烟消云散了。

由此可见，现代量子力学本身由于量子概念的瑕疵造成了人们对量子的产生以及量子化现象的认识产生了诸多错误认识，才出现了许多诸如“量子叠加”、“波函数坍缩”或“退相干”和“量子纠缠”等等错误和不具有物理实在的概念。基于所谓“量子叠加”和“量子纠缠”的量通量计当然也就缺乏科学基础了。

最后谈一下神奇的薛定谔方程，有人会感到困惑，既然现代量子力学对量子概念的理解存在问题，为什么薛定谔方程却能解出符合氢原子结构的电子轨道量子化结果，并由此发展出原子轨道理论和分子轨道理论等一序列理论，基于这些理论也能对原子核分子的结构做出许多准确的预测？我的理解是，薛定谔方程首先它采用的经典物理学基本原理为基础进行构建的，比如说波动方程、总能量等于动能与势能之和。这些正确的、合理的内核是保证薛定谔方程具有一定预测能力的根本原因。那为什么对波函数的物理意义的诠释又有问题呢？我的理解是，薛定谔方程采纳了德布罗意物质波假说，而该假说的本质就是把实物粒子类比为光子，再以“波粒二象性”进一步类比为波。因此，本质上，薛定谔方程是将粒子“当作”是“波”来进行数学处理的产物，所以，只要数学计算没有问题，计算结果本身就是对的。但如果要对波函数的物理意义进行解释，那就讲不清楚了，因为本身把粒子当作波就讲不清楚。就好比给小学生将算术，给他将5个男同学加上4个女同学总共是几个同学，你用5个苹果当作是5个男同学，用4个雪梨当作是4个女同学，放在一起数数，得出9个水果。计算结果是没错，但你能真的以为手里拿一个苹果就是拿着一个男同学吗？我们不能把类比当做是真实等同。因此，量子力学业内有一句明言：“Shut up and calculate!”，就是告诉学生别问什么物理意义，你埋头计算就对了。可见，薛定谔方程不过是一个采用类比方法解决量子力学问题的数学工具，但如果人们偏偏要问波函数的物理意义，那当然就会出问题。而如果有人居然采用量子力学数学工具过程中出现“量子叠加”，甚至完全假想出来的“量子纠缠”来搞实实在在的工程物理技术，比如量通量计，大家说，难道这样不会出问题吗？这不是很荒唐，很滑稽吗？

综上所述，量通量计在工程技术上不是难度大的问题，而是根本不可能实现。量通量计缺乏物理基础和科学基础，是极其荒唐、拙劣的、打着量子旗号的“永动机”。

参考文献

【1】 吴锦伟，郭光灿.  "薛定谔猫"──宏观量子叠加态． 《 vip 》 ， 1995

【2】吴飚. 《简明量子力学》. 2019. 8

【3】Zeng JQ. Classical physical mechanism of quantum production and its explanation for hydrogen atom structure and photoelectric effect. Physics Essays, 2021, 34(4):529-537

【4】Zeng JQ. Classical physics derivation of quantization of electron elliptical orbit in hydrogenlike atom. Physics Essays, 2022, 35: 147-151.