近年來，量子信息技術取得了連續的突破。它將成為下一代技術革命的領導者嗎？加州大學聖地牙哥分校的智力科學家兼助理教授尤亦莊通過量子擦除實驗表明，量子糾纏會影響因果關係甚至改變時間流逝，並討論了量子與智能之間的關係。
本文主要討論近二十年來的進展，尤其是過去一年中量子力學領域的進展以及未來可能的進展。
在過去的一年中，有兩個關鍵詞，量子引力和人工智慧。今年，谷歌宣布成功實現了量子霸權，人類首次看到了黑洞。
什麼是量子力學？
1807年，Thomas-Yang [1]通過雙縫幹涉實驗首次發現了光的幹涉效應。他讓光束通過可以打開或關閉的雙縫隙撞擊屏幕。有趣的是，如果僅打開雙縫的一側，則會看到一個斑點，但是如果同時打開兩個縫，則不會看到較大的斑點，而是會看到許多細長的幹涉條紋。就像水波一樣，光的這種行為反映了它的揮發性，當光通過雙縫隙撞擊屏幕時，光波會重疊。在某些地方，通過疊加獲得增益，稱為相移幹擾，並且出現亮條紋，而在某些地方，暗條紋破壞性地出現。後來，人們發明了麥克斯韋的電磁方程式來描述電磁波的波特性。
圖1：光單縫實驗的幹擾效果
圖2：雙狹縫實驗的幹涉效果
光子如何同時具有揮發性和粒子特性
後來人們發現光還有粒子性，光子具有不可分割的特性。那麼光子如何同時具有揮發性和粒子特性呢？1973年[2]，人們在實驗中將光子逐個打向屏幕，單個光子打擊在屏幕上只有一個亮點，但當光子數量積累起來，形成統計，就形成了明暗條紋的圖案。後來人們通過路徑積分理解了這個過程，當粒子在空間中運動時，會「遍歷」所有可能的從左右狹縫經過的路徑。每條路徑都攜帶一個概率幅，概率幅的疊加決定了最後的亮度。所以當人們關閉一個狹縫去觀察的時候，就關閉了一半路徑，就不會有與雙縫對應的幹涉條紋了。這好像在說，當人們得知光從哪條路徑走的這個「知識」，導致了不會發生幹涉，或者說引起了波函數的塌縮。那麼這種量子力學的過程是否和觀測者的存在，或者說意識和智能相關呢？現在大家趨向於認為不是。
圖3：幹涉與觀察者之間關係的實驗
這可以通過設計實驗來揭示。我們首先讓光的幹擾發生，然後撞擊屏幕上的衍射圖，然後決定是否從哪個接縫進行測量。具體而言，該實驗使用藍色雷射發射光子。藍光子穿過A或B的雙縫隙到達晶體（非線性原始光），並分成兩束紅光：A1，A2或B1，B2。讓A2和B2在真空中自由傳播。等待直到A1和B1在屏幕上成像，然後再決定是否通過檢測器觀察A2和B2。人們發現屏幕上的幹涉條紋消失了。似乎光子知道人們有能力觀察該光子穿過哪個狹縫。因此，幹擾和觀察者之間沒有必要的關係。退相干的性質是由量子糾纏的客觀性引起的。
圖4：量子橡皮擦實驗
之後，人們立即進行了量子擦除實驗[3]。如果我們刪除觀察到的路徑信息，會不會再次出現幹涉條紋？人們在A2和B2路徑上設置兩個平面鏡，中間設置一個半透明鏡，在反射路徑上設置兩個檢測器D-和D +。如果D +觀察到光子，則50％可能是來自A路徑的反射光，而50％可能是來自B路徑的透射光。神奇之處在於，當人們在屏幕的到達位置（後選擇）拾取與D +檢測器檢測到的光子相對應的光子時，幹擾條紋會再次出現在屏幕上。該實驗告訴我們檢測方法，或者事件發生後的選擇可能會對所發生的結果產生影響。
這種奇妙的因果關係告訴我們，量子糾纏是改變時空的武器。它的一種應用稱為超遠距離傳輸，以達到鄰近效果。我們仍然使用黃色非線性光學元件將藍色雷射束分成兩束，然後將其變為A和B的兩個紅束。此過程的相反之處是，如果A和B在黃色晶體上相遇，則是藍色雷射束將被重新生成。在這裡，我們將B發送到另一個非線性分量，然後與雷射C一起輸入非線性分量。如果C和A完全處於同一狀態，我們將看到出射光是藍色的。
如果檢測器檢測到此再生的藍色光子，則檢測器會通知A附近的光學圍欄已打開，並且A光子可以穿透。由於A和C是相同的紅光，因此看來C的光子出現在A處。這是量子超遠距離透射的實驗。儘管C光子在黃色晶體中消失了，但它從A的末端再次出現，好像形成了因果反轉的路徑，例如C-> B->A。但是，此過程本身並沒有違反相對論，也沒有真正實現時空反轉，因為C端的檢測器必須接收信號以通知檢測器A，因此A處必須存在一個長循環，在C處等待檢測器。信號到達後，信號又到達了，因此不違反相對論。
但是，該過程的效率非常低。為了使C與A處於相同狀態，將實驗重複100次只能成功一次。為了提高量子傳輸的成功率，我們可以使用量子算法Grover算法在廣闊的量子態中找到所需的量子態。 [4]對於經典計算機，在非結構化數據中查找某個位串的長度N為O（N），而在量子計算機上的Grover算法可以達到O（N ^ 1/2）。由於量子搜索可以利用量子態的相干疊加，因此搜索可以在並行宇宙中並行進行。
例如，長度為4的位串有16種可能的情況，每種情況的概率為1/16。使用Grover是一種迭代算法，每次迭代都可以提高目標狀態的概率。例如，查找字符串「 0110」（6），開始時的均勻概率為1/16，在第一步中該概率大大提高，而第二步可以達到約90％。第三步接近100％。因此，要從16個狀態中搜索狀態，Grover算法僅需4個步驟即可獲得良好的結果。為了探究更本質的原因，量子概率由概率幅度p（x）= |參數化。 ψ（x）| 該波動函數不必為正數，而可以為複數。 （這裡我們將搖杆的Householder反射圖像與波函數的水平反演進行了比較，該圖像說明了Grover算法，因此不再贅述）
量子糾纏和黑洞
科學家可以通過量子計算機來實現上述量子查詢和量子擴散。該算法已在兩個實驗中得到驗證[5; 6]。 Google在2019年1月發布的量子計算機已經可以實現53位量子計算機。這是什麼意思？以Grover算法搜索53位狀態空間為例。它可以在2 ^ 53（約1000億）個狀態空間中進行搜索，這將加速近1億倍。但是我們也應該注意這一點。在這臺量子計算機上，谷歌沒有實現Grover算法，但是做了一個相對初步的實驗，例如量子採樣。目前，該機器是否可以在容錯率的約束下實現這些實際算法。
谷歌發布實現53位的量子計算機https://www.nature.com/articles/d41586-019-03213-z
圖5：2019年4月，拍攝了黑洞的第一張照片
Grover算法可以通過搜索幫助提高量子超距離傳輸的效率。為了實現這個目標，我們還需要一個量子哈希。所謂的哈希，在Python程序中，當我們使用Dict編寫代碼時，我們使用哈希表。哈希算法將對象轉換為代表對象的相應哈希值輸出。本質上，可以通過黑洞來實現量子哈希。 2019年的新視野天文望遠鏡用整個地球的直徑作為望遠鏡的大小拍攝了黑洞的第一張照片。黑洞可以用作哈希存儲[7]。假設您將一本紅色的日記扔到一個黑洞中，希望它永遠消失在宇宙中而不會被發現。而且根據通常的理解，扔進黑洞的物體不會出來，所以日記自然不會出來。儘管黑洞不會吐出日記，但是會有霍金輻射，霍金輻射的信息是日記的哈希碼。例如，原始的紅色日記寫著「吉之新年快樂」，輻射可能只是一堆亂碼，所以實際上沒有辦法解釋日記中的信息。如果我們有一對糾纏的黑洞，那將是不同的。假設我們有兩個相互纏繞的黑洞A和B。我們首先將紅色日記放入黑洞A，黑洞A發出霍金輻射（「紅色」）。在實驗室中生成一對糾纏的白色日記，將其中一個扔進黑洞B中，B也會發出一些霍金輻射（「綠色」）。因為扔進A和B的物體不同，並且發射的輻射也不同（「紅色」和「綠色」），我們可以收集這些標記為「霍金」輻射的「紅色」和「綠色」，並將其放入量子搜索算法中。通過迭代，將搜索「紅色」分量以增加其概率，同時還將「綠色」輻射更改為「紅色」輻射。由於存在量子糾纏，白色筆記本將逐漸變成紅色筆記本，好像扔進A的筆記本是從B出來的。整個過程看起來像蟲洞。日記從蟲洞的一部分進入，從另一端跑了出去。因此，蟲洞的存在並不一定只存在於科幻小說中。量子糾纏只是提供了理論上的支持。量子糾纏實際上是量子信息的非局部量子存儲機制。此信息的解釋和利用取決於量子信息的處理，而量子信息的處理又取決於提供計算能力的量子計算機。這讓人想起電影《星際穿越》中的這位未來派人物救出了陷入黑洞的主角。救援過程可能利用了量子糾纏的這一特性。
Jizhi一直專注於複雜系統的研究。實際上，量子效應和複雜系統科學相互影響。一方面，複雜的系統和人工智慧可以幫助人們理解量子現象，而設計量子計算機則可以提供幫助。 [9; [8]量子計算的另一方面可以用來做更有效的人工智慧。 [10]但是，我們最關心的是量子與智能之間的關係。例如，在量子測量中，量子態崩潰與智能之間的關係是什麼？解釋這個問題需要我們將量子成分和智能成分結合起來，以研究將這兩個系統結合在一起的系統的物理定律。