出品：新浪科技《科學大家》、墨子沙龍
撰文：Charles H.Bennett，美國科學院院士，IBM Research 物理學家和信息理論家，量子密碼學概念創始人，現代量子信息理論創始人，沃爾夫物理學獎、哈維科技獎、狄拉克獎章、墨子量子獎獲得者
20世紀產生了一些極其重要的、通用的、又和硬體無關的概念。這些概念是目前計算機的基礎。查爾斯·巴貝奇在19世紀首先提出信息理論， 20世紀被圖靈證明，後來香農又提出了通用的、跟信息含義無關的通信理論。20世紀後半葉，科學家將量子力學的概念吸納入信息科學，改變了計算和數學的基礎。
量子力學的發展橫跨了整個二十世紀。但在二十世紀的大部分時期，量子效應被認為是不好的東西，是噪聲的來源。如今我們知道量子效應已經產生了很多積極的作用，也催生了新興的計算和密碼學等。
我們所有人都在使用經典信息，每個人身上都帶著上百萬的「電晶體」。那麼該如何解釋量子信息呢？
我是這麼解釋的：與書裡面的經典信息不同，量子信息就像是夢裡面的信息。當你嘗試想將你的夢描述給其他人時，你就會忘記這個夢。你只會記得自己關於這個夢說的話，你也無法向別人證明你做了這個夢，你甚至可以就關於你夢到的東西撒謊。與夢境不同，量子信息是有十分簡單、基礎數學形式的理論。
量子信息的數學基礎很簡單，但卻十分奇特，似乎不遵從我們通常所理解的概率理論中的一般定理。
量子力學的核心原理是態疊加原理。量子疊加原理說的是並非所有量子態之間都是完全可區分的。在任意兩個可被完全區分的量子態之間，仍然有其他的量子態，不能完全區分出來。這裡可區分的意思是：一個物理系統任意一個態都跟空間中的一個方向對應。
只不過這個空間不是通常的物理空間，這個空間的維度數量與可以完全區分開的態的數量一致。所以有3個維度就意味著可完全區分開的態的最大數目是3。事實上，任意三個互相垂直的方向都是可以完全區分開的，最簡單的空間只有兩個維度。
光子是一種粒子，它們的偏振只有兩種可以完全區分的狀態，而且可以跟蹤這些光子的行進方向，因為光子們都沿著一個方向運動。光子的偏振方向總是跟光子的行進方向垂直。
偏振方向是垂直的光子可以完全和偏振方向為水平的光子區分出來，但是並不能完全跟其他角度偏振的光子區分出來。但偏振方向為45度角的光子和偏振方向為135度角的光子也可以被完全區分出來。
儘管量子信息和經典信息有這些區別，這裡的「經典信息」是指人們通常所說的「信息」，在量子信息領域，我們將人們通常所說的「信息」稱為「經典信息」。
量子信息學科一直到二十世紀晚期才誕生。我們都知道經典信息可以用比特來表示。每一種計算都可以用「與」操作和「非」操作來表示，將這些操作運行在那些比特上，人們在十九世紀就發現了這些。量子信息則是用雙態的量子系統來表示的，比如說光子。對量子信息的操作可以用對量子比特的操作來表示。
光子的偏振方向與行進方向垂直。放置一個對稱性足夠低的透明材料（比如說碳酸鈣）讓光子入射其中，水平偏振的光子將會直接沿著原來的行進方向出來，垂直偏振的光子將會在晶體內部轉向，然後再從晶體出射。
這意味著你可以用每個光子來攜帶一個比特的信息。如果你旋轉這些光子，將會發生很奇特的量子現象。比如雷射筆會產生偏振光子，如果讓這些光子入射進同一個晶體，其中一些光子變成了水平偏振，而其他的光子則在晶體內轉向，並變成了垂直偏振。
而這種情況的發生是概率性的，這是量子力學的一個基本詭異之處。
這個概念是如此奇怪，給大家提供一個隱喻以幫助理解。這個隱喻是由合作夥伴比爾·伍特提出來的，他說量子疊加就有點像老式的教學方式。在這種學校裡，只能由老師來講，而學生則不應該問任何問題，甚至不應該回答老師，除非被老師提問了。老師就像是這裡的測量裝置，比如這裡的方解石晶體和兩個光子探測器。當然光子就是那些可憐的沒有任何權力的學生。老師問學生：你的偏振是垂直方向的還是水平方向的？學生回答：我偏振方向55度。（譯者註：光子原本的偏振方向既不是垂直的也不是水平的，而是在兩者之間。）
然後老師說：我想我是問了你這樣一個問題，你的偏振方向是垂直的還是水平的？
（譯者註：由於測量裝置只能通過垂直偏振或者水平偏振的光子，所以其他偏振方向的光子也必須要在這兩種偏振方向中隨機地選擇一個）
學生回答：水平的，先生。
老師繼續問：那你曾經有過其他的偏振方向嗎？
學生回答：先生，沒有過。我一直是水平偏振的。
（譯者註：一旦光子在經過測量裝置時選擇了偏振方向，那麼便一直是這種偏振方向了）
這真的很奇特，而且看起來一點不像物理學倒有點像是恫嚇或者心理學等。
如果你將這個晶體入下圖放置，垂直偏振和水平偏振的光子可以被完全區分開。
如果你將光子的偏振方向旋轉45度角，再將晶體也旋轉45度角。那麼你可以完全區分出這兩種偏振方向的光子。
（譯者註：這裡指將水平偏振和垂直偏振光子旋轉45度後得到的45度偏振和135度偏振光子）
光子是一個兩維系統，這個兩維系統是量子希爾伯特空間中的系統。量子的空間，就叫做希爾伯特空間。水平偏振和垂直偏振可以被完全區分出來。45度偏振和135度偏振態也可以被完全區分出來。但是沒有辦法可以將四種偏振方向的光子完全區分出來。
威斯納在他1968年的手稿中就提議使用這個原理。（譯者註：威斯納用這個原理製作quantum money，即量子貨幣）
事實上這僅僅是在信息理論被建立二十年後。銀行製作了這些量子貨幣。你以為你只需要一個能夠完全反射光子的箱子。然而如果你製作了一個能夠完全反射光子的箱子。這些光子會在一微秒甚至更短的時間內消失。銀行製作了這些量子貨幣，並且銀行知道量子貨幣所包含的偏振光子的順序。如果有人想複製這些量子貨幣，他的做法會破壞掉其中一些光子的偏振態。
吉爾和我將這個想法帶到了量子密碼學的第一個驗證實驗裡，實現了量子通信，通信距離30釐米。現在，墨子衛星的成碼率都比這通信距離只有三十釐米的裝置的成碼率高。（譯者註：一般通信距離增加後，成碼率會降低。）
總之，這就是量子密碼了。
量子力學最神奇的地方在於糾纏。糾纏是在相互作用的過程中自然而然發生的。糾纏的產生是量子疊加原理的結果。
任何的量子數據處理過程，可以看成是對單個量子比特上進行操作或者是兩個量子比特之間的相互作用。唯一能在單個量子比特上進行的操作是旋轉它的偏振方向。我們對單個光子的操控可以旋轉光子。那麼雙量子比特操作又是什麼意思呢？我們將會用兩個可完全區分的量子態來代表量子比特。
我們將用垂直偏振的光子來代表|0>態，用水平偏振的光子來代表|1>態。下圖就是量子版本的異或門，在異或門裡，第一個比特的值將會決定第二個比特是維持不變還是翻轉成與原先的偏振方向相垂直的偏振態。
換句話說，如果第一個比特是一個|1>態，第二個比特從|0>態變成了|1>態；如果第一個比特是一個|0>態，第二個比特將維持不變。而且由於這是一個量子計算單元，如果輸入端是是疊加態，那麼輸出端也會是疊加態。
這些符號將會顯示出45度角方向偏振，如果我們將這個疊加態放進輸入端，那麼輸出端出來的也會是疊加態。最終我們得到了這樣一個四維空間中的量子態。這個量子態處在兩種狀態之間，即兩個光子都是水平偏振的或者兩個光子都是垂直偏振的，這就是一個糾纏態。
當我說糾纏態的時候，我指的是跟你們現在所想的任意一種量子態都很不一樣的一種量子態。如果我有兩個光子，這個光子一定會在某一個確定的狀態中，另一個光子也一定會在某一個確定的狀態中。兩個光子在一起的態，唯一能想到的也是一個光子在某一個確定的狀態中，另一個光子也一定在某一個確定的狀態中。但是對這些糾纏光子來說，情況並不是這樣的。
這個介於兩個光子都是水平偏振和都是垂直偏振之間的狀態，和這樣的一個狀態相同，即介於兩個光子都是向左偏轉和都是向右偏轉之間的狀態。這兩個光子處在這樣的量子態中，它們的偏振方向一直相同，即使任何一個光子都沒有獨立的偏振狀態。
確實有一個理論，稱糾纏是一夫一妻制的，即單配的。單配性的具體內容指，兩個系統相互糾纏的程度越深，它們與其他系統的可能糾纏程度越低。
能用糾纏做什麼呢？
現在有一個光子，但是不知道它處在什麼狀態。我們希望獲得這個光子的偏振信息，然後再將這份信息加載到另外一個光子上，並且這兩個光子從來沒有彼此接近過。這看起來像是一個不可能完成的任務，這就是量子隱形傳態。
因為並不知道第一個光子的偏振方向是什麼，沒辦法在測量這個光子以得到它的信息的同時，卻不對它產生任何影響。幸好可以通過糾纏來解決這個問題。直接測量光子的偏振方向，然後會得到一個可能錯誤的答案。
將測量得到的信息發送到一個地方， 然後製備一個複製品， 只不過這個複製品不是一個完美的複製品。錯誤就表示偏振方向是不對的。那應該如何解決這個問題呢？
可以利用糾纏來解決這個問題。
首先製備一對糾纏粒子，然而不打算真的去測量它。讓粒子A和粒子B之間產生相互作用，對這兩個粒子進行貝爾態聯合測量。而且不關心其中任何一個粒子的狀態，只關心他們之間的關係。既然這裡有兩個光子，將得到有四種可能結果的答案，換句話說，即是兩比特的經典信息。
在測量過程中會破壞掉光子A的偏振態。然後將對光子A的狀態一無所知。測量會產生四種可能的結果，於是將這兩比特信息發送到這個接收站。然後對光子C進行操作，光子C從未接近過光子A，並且以四種不同方式中的一種來旋轉它的偏振方向，結果將得到已經摧毀的那個量子態的準確的複製品。
量子隱形傳態並不能像《星際迷航》中一樣將人瞬間傳送到遙遠的星球去。但量子隱形傳態是搭建量子計算機的基本要素之一。
量子隱形傳態真的是很有趣的概念。我們已故的合作者阿舍·佩雷斯，他是一個驕傲的無神論者。曾經有人問他，如果你量子隱形傳態你自己，只有你的身體會被傳輸過去，還是靈魂也會一起被傳輸過去？然後他回答（調侃）說，只有你的靈魂會被隱形傳輸過去。
下面我要講一個人類故事來類比量子隱形傳態。
我覺得有一件事就比較像夢境一樣，也就是當人們有了極其痛苦的經歷的時候，比方說親眼目睹犯罪活動的發生。他們越多回想這件事，他們的記憶就會變得越不準確。
在芝加哥發生了一起犯罪事件，愛麗絲住在芝加哥，並且目睹了這起犯罪事件。FBI想從愛麗絲那裡獲得關於這起犯罪事件的信息。他們知道她關於此的記憶是很脆弱的。FBI不想隨便向愛麗絲提問，害怕會破壞她的記憶。並且有些問題涉及到一些FBI不想跟芝加哥警察局分享的情況，芝加哥警察局可能會問愛麗絲其他問題，從而擾亂她。所以FBI希望愛麗絲可以親自到華盛頓來一趟，好讓FBI的專家與她面談，這些專家會問她正確的問題，並且會以正確的順序。
很不幸的是，愛麗絲不喜歡出行。FBI 擔心如果強迫愛麗絲來華盛頓的話，她會變得不合作。所以FBI打算派遣一個特工去跟愛麗絲面談，然而問題是所有的特工都對這個案件有強烈的個人觀點。他們不信任彼此單獨來進行這個面談。
最後來了兩個一直很無用的特工。不過有個不同尋常的情況是，這兩個特工，我叫他們萊姆斯和羅慕路斯，也就是創建羅馬城的那對雙胞胎的名字。他們在任何事情上都保持一致的看法，換句話說，他們是糾纏在一起的。萊姆斯說，「來吧，讓我去吧，我對這個案件一無所知，所以我比你們中的任何一個都更沒可能去影響她，而且我很喜歡出門」。於是FBI派遣萊姆斯去跟愛麗絲面談。萊姆斯去了芝加哥，但是FBI告訴萊姆斯這其實是一次快速約會。
萊姆斯和愛麗絲不應該談論任何東西，尤其是跟犯罪活動有關的。他們只需要確認他們是否喜歡彼此。不過約會進行地很糟糕，愛麗絲無法忍受他。而且感到如此緊張，以至於忘記了跟這個犯罪活動相關的所有東西。芝加哥警察局的人對愛麗絲說，「很好，你可以回家了。」然後芝加哥警方打電話給華盛頓方面，告訴他們愛麗絲和萊姆斯相處不來。
如今愛麗絲的記憶已經被移植到了羅慕路斯的大腦裡，只不過記憶是顛倒的。所以FBI需要向羅慕路斯提問所有本來應該問愛麗絲的問題，然後再將每個問題的答案反轉。反正FBI最後就是這般得到愛麗絲的記憶的。
這就有點像量子版本的「一次一密」。
下面我想講講量子糾纏的「單配性」，這是一個基礎性的原理，而且這個原理來自於量子疊加。如果兩個系統彼此最大程度地糾纏在一起，那麼它們將不能與其他任何東西糾纏在一起。他們甚至不能再跟其他任何東西產生經典關聯。
在社交事務方面有一句諺語，如果兩個人聊得特別投機，那麼第三個人進來會干擾原來的談話。當你遇到這樣的情況時，禮貌的做法是，離開並讓他們單獨相處。
有句英語諺語「兩人成伴，三人不歡」。現在假設愛麗絲和鮑勃已經糾纏在了一起。不過假定鮑勃是那種想要更多糾纏關係的人。這時他找來了另一個朋友，這個朋友愛麗絲不認識。並且鮑勃和這個新朋友也做了之前與愛麗絲做的事情。鮑勃希望他現在可以跟這兩個女朋友都糾纏在一起。然而鮑勃發現他與愛麗絲的關係已經退化了，變成僅僅只有經典相關隨機了。而他與朱迪的關係也是如此。
如果你現在重新來看這件事，如果鮑勃的其中一個女朋友離開了市裡，鮑勃將會發現他跟另外一個女朋友的關係退化成僅僅是相關隨機了。不過如果他們都一直待在原處，鮑勃將會處在完全的糾纏態中，只是並不是跟任何一個女朋友。他將會跟他們的「非正常關係」糾纏在一起。
現在我們來看看量子隨機是從哪裡來的。讓我們來看看這個實驗。斜方向偏振的光子通過這個晶體。其中一些光子變成了水平偏振，另外的光子則變成了垂直偏振。如果我們做下面這個實驗，並且我們不真的完成它。我們讓這些光子變成這樣的兩束光，但是並不測量它們。
事實上這些光子並不是以不同的概率進入不同的光束，它們其實是以疊加態的形式同時進入到兩個光束的。這個晶體做的事情是將一束對角偏振的光子轉化，轉化到下面兩種態的疊加態，這兩種態分別是光子在一束光內是水平偏振，而在另一束光內是垂直偏振。
所以事實上，光子在這裡還沒有選擇光束。可以通過在這裡插入半波片，半波片可以將光子的偏振方向翻轉，可以將水平偏振光子變成垂直偏振，垂直偏振光子變成水平偏振。垂直偏振的光子會這樣通過晶體並偏轉行進方向，水平偏振的光子會那樣經過晶體。兩束光處在糾纏態中。經過第二個晶體後，兩束光又重新成為了一束光。
這裡可以舉一個例子，這就像是教室裡會發生的嚇人經歷，對學生來說，這是一件十分尷尬的事情，當著全班所有人的面說自己的偏振是什麼。其他人嚇得他忘記了自己的偏振是什麼了。
糾纏無處不在，幾乎所有的相互作用都會產生糾纏。那為什麼一直到二十世紀糾纏才被發現呢？那是因為糾纏的單配性。自然界的大多數系統都跟光子不同。光子可以在空氣中行進，可以飛行上百萬光年的距離，偏振仍然不被破壞。如果你碰一下這個東西，它就會變成另外一個東西了。它跟你產生了相互作用，你甚至可以聽到聲音。
自然界的大多數系統，除了光子這樣小的東西，都會跟它們周圍的環境產生強烈的相互作用， 然後幾乎會立刻跟周圍環境糾纏起來。這就像鮑勃和他的兩個女朋友們之間發生的情況。這個系統的各個部分之間曾經存在的任何糾纏關係都將會退化成相關隨機性。這就是為什麼一直以來，當我們想到概率的時候，我們卻不曾意識到其實是糾纏在起作用。
我們身處的世界可以展現在我們面前是因為所有人都在跟光子發生相互作用。這些從我們身上反射的光子記錄下了我們的位置，這就是為什麼我能看到你在哪裡。然後光子繼續行進，並且它們之間沒有相互作用。這就像在這最上面有一個未知的量子態，然後有許多的|0>態進來。每一個|0>態都去觀測最上面的那個態是|0>態還是|1>態，然後跟它糾纏在一起。
不過這些|0>態只能知道的是最上面的那個態是垂直偏振還是水平偏振的。但是它們無法得知是否是對角偏振的。為了獲知最上面的態是否是對角偏振的，我們需要將環境中的所有光子收集起來。這就像要讓班上所有的其他學生，其他學生都聽到該生說過他的偏振方向是什麼，然後讓所有其他學生都忘記這件事。
這樣該生就可以找回自己的偏振方向了。這是由楚雷克和Blume-Kohout提出的一個理論。他們將這個稱為「量子達爾文主義」。因為這個現象是指一個物理量的信息增加了，代價卻是互補的物理量的信息都減少了。不過我覺得「量子群發」會是一個更好的名字。因為所有的環境複製品都來自同一個起源。
人們認為量子力學很難以理解的一個原因是愛因斯坦不喜歡量子力學。愛因斯坦是二十世紀唯一一個家喻戶曉的物理學家。愛因斯坦討厭量子力學的兩個方面， 第一個地方是不確定性，意味著在以同樣方式製備的系統會有不一樣的表現。
量子力學另外一處讓愛因斯坦不喜歡的地方是量子糾纏。愛因斯坦給量子糾纏和不確定性都取了很壞的名字。他將不確定性稱為「上帝玩骰子」。將量子糾纏稱為「幽靈般的超距作用」。並且愛因斯坦認為量子力學違背了物理理論需要滿足的一個重要因素，也就是任何一種現象或結果都必然有其原因。
但是除了愛因斯坦以外的物理學家都如此愛量子力學，因為量子力學解釋了如此多在實驗室裡發生的奇妙現象，並且這些現象帶給了我們很多發明，比方說雷射與半導體。喜歡量子力學的物理學家們卻又以不同的方式來解釋它，並且這些方式看起來是相互矛盾的。
量子糾纏一直廣泛地被幾乎所有的新聞記者所誤解。他們都將量子糾纏解釋成是一種超距作用。當然新聞記者談論量子糾纏的時間還不長。物理學家已經討論了量子糾纏很長時間。
1982年，尼克·赫伯特發表了一篇文章。後來又有一個叫傑克·薩爾法季的人，想為這個想像出來的通信手段申請發明專利。已經過世的阿舍·佩雷斯，也就是我們的量子隱形傳態文章的合作者之一。
不過當時審稿人肯定說過這樣的話：這篇文章應該發表，因為它是錯的。當然，後來楚雷克、伍特斯和迪克斯分別指出了為什麼這篇文章是錯的。楚雷克、伍特斯和迪克斯提出了不可克隆定理，主要講了量子糾纏的單配性，以及量子信息是不能被複製的。事實上早在1968年，就發現了這一點，並利用了這一點。科學界發生過很多類似的事情，提出新概念的人卻並不知道如何使用這些概念，他們甚至不知道這些概念是否重要。一個概念需要再被重新發現三次四次，大家才會對這個概念有所了解，知道能夠運用在何處。
就在此刻，上面所說的再發現仍然在繼續發生，但卻是以一種不好的方式。我想大多數量子信息領域的同僚會經常收到一些人的提案，這些人想將糾纏運用到長距離通訊上，希望能實現超光速通訊。（譯者註：信息的傳遞速度不能超過光速。這裡指試圖利用糾纏來實現超光速通訊的方案都是錯的）這就像永動機一樣，是一個永遠不會實現的夢。
大家應該覺得量子糾纏很奇妙，而不是毫無意義。科學上有很多十分重要待解決的問題，一旦被解決將會引領新科學。產生矛盾的地方往往會誕生新的科學，其中一個最著名的例子就是麥可遜-莫雷實驗。這個問題被愛因斯坦的狹義相對論解決了，狹義相對論聯繫了時間和空間。麥克斯韋方程式並不是不變的，它們遵從洛倫茲變換。目前最大的難題是黑洞信息問題，這也是量子力學和廣義相對論交匯的地方，我們仍然不知道如何將這兩個理論統一。不過有很多理由讓人相信量子信息會幫上忙。
現在，我要將這些真正的科學危機跟下面這些危機做一個對比。我把這些稱為 「解釋的危機」。
「解釋的危機」指的是這樣的情況，所有人都贊同實驗的結果，但是卻在如何描述上意見不一致，可能最好的解決辦法就是習慣它。同樣的事在不斷地發生，幾千年前，人們發現2的平方根不是小數，當時的人們認為除了整數以外，剩下的數字都是小數，現在我們有了無理數。這些都是我們剛習慣的關於這個世界的真相。我覺得量子測量問題正在變成「陳舊的老問題」。許多人仍然一直在會議中討論量子測量問題。
量子信息就是換了一種方式的經典信息，量子信息是經典信息的一般化。量子信息更大、更美、更有力量。經典比特就是量子比特的兩個任意選擇的正交態中的一個，（譯者註：這句話的意思是經典比特只能取一個值，「0」或「1」。）例如垂直偏振和水平偏振的光子。任意兩個能夠被完全區分的態都可以叫做比特。經典導線可以準確地傳導兩種狀態，但是會將兩種狀態的疊加態隨機化。所以一個經典信道就是一個有竊聽者存在的量子信道。任何不能被竊聽的信道本質上都是量子信道。經典計算機就是每根導線都被竊聽的量子計算機。
如果問量子加速是從哪裡產生的？為什麼量子計算機解決因式分解要快很多？我會回答他們問錯問題了。計算機是量子的，只不過一旦我們知道如何輕易地搭建計算機，並且計算機的每根導線都遭到竊聽，這會讓一些計算變慢了。打個比方，假如我現在打算做某個計算，然後有人在監視我，這會極大地降低我的計算速度。
事實上，有一些計算可以抵抗竊聽。而其他計算則會因竊聽極大地降低速度。
量子計算機可以極大地加速一些對經典計算機來說很困難的計算，例如因數分解問題。你甚至不需要一個經典計算機來將這兩個質數相乘，從而得到那一個數（即下圖左測的長數字，是右側兩個質數的乘積）。如果你有一個安靜的周末，你不需要計算機就能做這個乘法計算了。不過將左側的這個乘積分解成右側的兩個質數，即使用最好的算法也要需要花費經典計或者幾個月，甚至幾年。所以解決辦法就是搭建一個量子計算機，然後利用它的糾纏態。但是必須保護它不被環境竊聽。
將量子計算機與環境完全隔離是不可能的，但其實並不需要這樣做。如果你可以讓每一個器件都運行地接近完美，它們不需要運行地十分完美，然後你就可以運用量子糾錯理論。下圖是一個最簡單的量子糾錯代碼，它可以糾正單個量子比特的錯誤。在這個糾錯代碼中，我們需要另外四個|0>量子比特。最後的結果是在五個量子比特形成的糾纏態中，如果你破壞了任何一個量子比特，破壞可以被消除，轉移到這些備用量子比特上。
經許多人努力，量子糾錯理論上發展出了容錯計算理論，在容錯計算理論中，你需要做的是保護它的糾纏態，你處理的方式如此微秒，以至於你甚至可以承受在糾錯過程中產生的錯誤。
如今全世界都在努力建造量子計算機。這是IBM即將上線的量子計算機原型機，任何人都可以使用它來做運算，噪聲挺大，但已經是我們現在能達到的最佳性能了。
人們提出過許多種系統來搭建量子計算機。如果是用來通信，你當然會想使用光子。如果是用來存儲，你會想用某種原子或分子，這些原子或分子處在十分隔離的環境中，要麼是在真空中要麼是在固體中。
於是新聞記者又在那裡說，太好了，我們有了新的計算方式了。摩爾定律正在走向盡頭。事實上摩爾定律九年前就在走向盡頭了。還是七年之前？因為人們已經習慣了摩爾定律的放慢了。量子計算會讓摩爾定律迎來新的生機嗎？因為量子計算可以指數級地提升運算速度，但答案是否定的，因為即使我們建造出能夠完全糾錯的量子計算機，它也無法加速所有的計算問題，只能加速一部分。
我想你們可能以前見過這個簡圖。這個簡圖根據問題難度將問題分類。有新的分類加入到我們之前擁有的分類，比方說P類，NP類和PSPACE類，這個新的分類是一些新的量子類問題， 其中包含一些問題，可以被量子計算機很快解決，但是經典計算機卻需要很長時間。還有一些問題，經典計算機和量子計算機都很難解決。
一個更壞的消息是，想要搭建能夠完全糾錯的量子計算機是很難的。我們應該好好想想在中短期內，在通用量子計算機出現前，我們還能夠做什麼。我覺得其中最成功的一個方面就是，我們在不斷擴展量子密碼的通信距離。還有一個方面是我們改進了計量和計時。舉個例子，如今已經很常見的銩鍾。以前銩是屬於那種幾乎不會被使用的元素。不過銩元素卻讓我們得以搭建出更便攜的原子鐘，這種便攜原子鐘可以用來同步其他的鐘。事實上，銩鍾短期內就可以完全應用到計時領域。
「量子霸權」最近被廣泛關注。所謂「量子霸權」，就是用一個小的量子計算機，去做一些無用的，但是對經典計算機來說很難做的事情。我對此的反應是，這樣做的理由是什麼呢？我覺得唯一的理由就是讓人們相信量子計算機在原理上是可行的，如果建造一個更大的量子計算機，它可能就會有用了。不過如果你相信量子力學，你已經知道這一點了。
如果有人不相信量子力學，那他們可能就是太頑固，也永遠不會被說服的。你不該去做這些，而應該去逐漸地提升硬體，理解退相關的來源並找到解決辦法，實現存儲時間更長的量子存儲，實現更長程持續時間更長的糾纏。或你可以去推動這些東西的實際應用。
即使你無法解決糾纏的問題，你也可以用非糾錯量子計算機來做一些事，這些事可能會對量子化學和機器學習等有幫助。不過我覺得以下才是在這個領域學習研究的最重要原因，至少從理論方面而言，它不僅已經改變了我們對信息的本質的理解。並且它有機會幫助解決物理學中最大的問題，即理解什麼是量子引力。
這裡存在一種文化差異。宇宙學家和高能物理領域的弦論學家喜歡思考這類問題。其他人則對這類東西不熟悉。有不少厲害的科學家認為，理解空間和時間的起源的方式，理解如何將引力和量子力學統一的方式，就是使用比量子信息理論中的更簡單的概念。或許他們在使用一種新的方式來思考這個問題。我覺得這是最讓人興奮的領域之一。儘管很難想到近期內能有什麼實際應用。
下圖是一張我從約翰·普雷斯基爾那裡借來的幻燈片。他這樣說過，「回到量子力學誕生的時期，經典力學無法解釋熱輻射，導致普朗克創立了量子力學。我們無法理解黑洞蒸發時發生了什麼，這一點是由霍金提出的，說明這裡有一個可將量子力學和引力統一起來的問題。兩個理論似乎都很有用。兩個理論看起來都像是對的。一定存在一個可將這兩個理論統一起來的問題。希望這個問題將在本世紀被解決。
他們只對科學能做的對他們有用的東西感興趣，即能解決他們所能看到的最迫切的問題。不過我認為科學發展大多數時候是漸進的。新聞記者喜歡重大進展。不過重大進展發生的時候，往往是帶來重大進展的科學已經發展十分成熟了，以至於會有不同的人幾乎在同一時間發現同樣的東西。可能大家需要的是耐心一點。
如果有人將威斯納在1968年發現的東西更好地推廣了，或者我們倆更好地推廣了，可能這個領域會早誕生十年。但是在五十年或一百年的時間尺度上，我們中的任何一個人都是不重要的，總有其他人會做出這些工作的。
舉個例子，如今有個特別火熱的領域，人工智慧。我從七十年代開始就關注這個領域了。在那個年代，人工智慧被認為是，他們說是他們會首先使用計算機做的事情。人工智慧的一個重要應用就是語言翻譯。然而計算機在語言翻譯上簡直是個悲慘的失敗，且持續了差不多五十年。計算機在語言翻譯上的能力比過去強了很多，並且會繼續進步。讓我們繼續支持好的科學研究，而不用去擔心它在幹什麼。它最後的應用可能會被你開始認為的要更重要。也可能它們永遠不能被用來做任何事。
25年前，我正在參觀噴氣推進實驗室。我遇到了一個科學家，他研究「旅行者號」探測器的動力系統。他說當他們計劃這個雄偉的計劃的時候。「旅行者號」探測器是在七十年代發射的。他們希望它能夠探測全部四個巨行星。但是主管的人說，只去木星和土星就行了。人們只聽說過木星和土星。他們不會真的關心其他的巨行星的。然後他們說，現在幾乎所有的行星都排成一行了，我們現在可以一次性探測所有行星，也就是多次使用重力彈弓。
同樣的好機會，兩百年內都不會再發生。但主管的人說，國會理解不了兩百年有什麼，他們只能理解兩年有什麼。就只去木星和土星。後來工程師們密謀在很多地方過度設計了探測器。他們說這是一個如此昂貴的項目，我們決不能讓它失敗。讓我們把所有東西都做得更牢固更耐用。我們不知道木星上的輻射場是怎樣的。所以他們基本上將「旅行者號」建造地足夠經久耐用，在「旅行者號」發射升天后，他們調整了它的行程，讓「旅行者號」去做那些曾被否決的事情，拍下的照片到現在為止仍然是其他兩個行星的最好照片。
有人問法法拉第，電磁感應有什麼用。發動機和發電機都是基於電磁感應原理製成的。法拉第回答，問電磁感應可以用來幹什麼，就像問新生兒有什麼用處。他當時在討論一些新發現的元素，在倫敦的一個公開講座中。法拉第在講座中說了下面這段話。這段話是有記載的，因為有人將講座記錄了下來。「在講完物質氯之前，我想講一下它的歷史。」最終氯氣被用在了很多地方，比方說漂白等等。「對於那些習慣質疑所有的新發現有什麼用的人，」然後他說，對於這種問題，最好的回答來自班傑明·富蘭克林，當人們問他的一些發明，如電，有什麼用的時候。這個回答就是「新生兒有什麼用呢？」
量子信息提供了一種清晰的思路，來研究通信、計算，甚至是物理裡的相互作用。量子信息將信息科學和物理學結合在了一起。
對量子信息來說，經典行為其實是特例。經典信道就是有竊聽者存在的量子信道。經典計算機就是每個導線上都有竊聽者的量子計算機。量子信息會帶來很多令人振奮的應用，我們仍需要不斷去探索。但是就像地球是圓的這個事實，或者像物質是由原子構成的這個事實，或者愛因斯坦展示了時間和空間是相連的這個事實。
雖然他們寫不出來洛倫茲變換的完整形式，但是他們知道是愛因斯坦發現了這個。並且知道這個很重要且很奇特。我覺得大眾應該以同樣的方式去理解糾纏。
註：本文內容由墨子沙龍夏秀秀根據現場演講編譯整理而來
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