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第28届索尔维物理学会议圆满召开

2022年05月27日

时隔五年,第28届索尔维物理学会议终于在近日圆满召开。有史以来第一次,会议的主题是“量子信息物理学”(The Physics of Quantum Information)

索尔维会议是20世纪初比利时企业家欧内斯特·索尔维(Ernest Solvay)创立的物理、化学领域讨论的会议。1911年,第一届索尔维会议在布鲁塞尔召开,迄今已逾百年。

熟悉光子盒的读者应该知道,索尔维会议与爱因斯坦的光子盒实验以及整个量子物理学领域都有着不解之缘。回顾索尔维会议百年历史,最著名的就是1927年那场关于量子物理学的“玻尔-爱因斯坦之争”,以及会后那张“物理学历史上最伟大的合照”。合照的29人中,有17人获得了诺贝尔物理学奖

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1927年第五届索尔维会议。来源:国际索尔维研究所

后排从左至右:皮卡尔德、亨利厄特、埃伦费斯特、赫尔岑、德唐德、薛定谔、费尔沙菲尔特、泡利、海森堡、福勒、布里渊;中间从左至右:德拜、克努森、布拉格、克莱默、狄拉克、康普顿、德布罗意、玻恩、玻尔;前排从左至右:朗缪尔、普朗克、居里夫人、洛伦兹、爱因斯坦、郎之万、古伊、威尔逊、理查森

会后的大合照是索尔维一直以来的传统,今年的特殊之处在于,这可能是自上世纪80年代量子信息科学诞生以来最盛大的量子信息科学家聚会。他们之中有量子信息科学的先驱(其中不乏诺贝尔奖获得者),当前量子信息科学的中坚力量,也有推动量子信息科学落地的商业大佬,而且你一定在光子盒见过他们的名字。

唯一遗憾的是,由于疫情原因,国内的量子信息科学家未能前往。但本次会议仍然不乏中国元素,除了美国国家科学院院士文小刚、芝加哥大学蒋良教授亲临现场之外,中国科学院院士潘建伟也线上参与了5月22日索尔维公开讲座的小组讨论

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前排从左至右:Ketterle, Maldecena, Haroche, Henneaux, Gross, Zoller, Wineland, Preskill, Halperin, 文小刚;第二排:Aharonov, Stanford, Engelhardt, Aaronson, Rey, Vazirani, Girvin, Schoelkopf, Blatt, Cirac, Gottesman, Shor, Verstraete;第三排:Sevrin, Hubeny, Gambetta, Terhal, Simmons, Khemani, Nakamura;第四排:Marcus, Bloch, Browaeys, Vidick, Pollmann, Wiebe, Penington;第五排:蒋良, Fisher, Wall, Harlow, Martinis, Troyer, Farhi, Almheiri, Calabrese, Altman;参会但未出现在照片中:Lukin, Mahadev

1927-2022,时隔近百年,量子力学从新生的充满争议的理论,发展成为未来信息技术革命的基石,百年索尔维见证了量子科学的百年历程。

索尔维会议与光子盒

借此机会,我们想谈谈“光子盒”的来历。

1927年,处于量子力学理论的早期发展阶段,我们通常认为海森堡等人的矩阵力学和薛定谔方程标志着量子力学的诞生。从薛定谔方程解出的电子运动规律,是一个弥漫于整个空间的“波函数”,这个结论对于当时在经典力学背景下成长的物理学家来说不可思议。因为在经典力学中,粒子在某个时间点的位置是固定的。

正当所有人伤透脑筋时,1926年玻恩给出了概率解释。他认为量子力学中的电子不像经典粒子那样有决定性的轨道,而是随机出现在空间中某个点。不过,电子出现在特定位置的概率是一定的,是由薛定谔方程解出的波函数决定的。

在此基础上,后来又发展出了海森堡不确定性原理、玻尔互补性原理等,这一系列诠释使得量子力学第一次自圆其说。由于当时哥本哈根大学的玻尔极具威望,因此这些诠释称为量子力学的哥本哈根诠释,并很快被学界广泛接受,除了爱因斯坦

当时,物理学界基本形成了两派:以玻尔、玻恩、海森堡、泡利、狄拉克为代表的哥本哈根学派,以及以爱因斯坦、薛定谔等人为首的反对派。

到了1927年索尔维会议,关于哥本哈根诠释的合理性,是本次会议主要讨论的话题。

在正式会议阶段,玻尔和哥本哈根学派对量子理论的解释占了压倒性优势。爱因斯坦的质疑通常在正式会议之外提出,而两派人马的辩论和交锋,大部分发生在每天会前会后的餐桌上。

爱因斯坦的出发点是经典力学中的三个假设——守恒律、确定性、局域性。一般来说,在守恒律方面争议不大。但海森堡提出的不确定性原理违背了确定性的假设,这是爱因斯坦所不能忍受的。

海森堡1925年发现电子的运动实际上并无轨迹可言,因为电子的位置和动量不可能同时被确定:位置的不确定性越小,动量的不确定性就越大,反之亦然。海森堡由此提出不确定性原理。

爱因斯坦的观点可以用其名言“上帝不掷骰子”来概括,即世界的本质不是随机的,与经典力学的观点一致。那些看起来无法解释的随机现象,是因为有尚未发现的“隐变量”,一旦我们找出了这些隐藏着的变量,随机性就不复存在了。

然而,哥本哈根学派认为,微观世界的随机性是内在的、本质的,并没有什么隐藏得更深的隐变量,有的只是“波函数坍缩”到某个本征态的概率。

最后直到会议结束,两派仍然各执己见,谁也没有被对方说服。

三年后的第六届索尔维会议上,两派人马再次华山论剑。爱因斯坦提出了他著名的“光子盒”思想实验。实验装置是一个装有发光物质的密封盒子,盒子上开了一个小洞,洞口的机械钟可以精确控制挡板的开启时间。同时,盒子悬挂在一个精密的弹簧秤上,以测量其质量。

实验开始时,先测量一次盒子质量,然后在短时间内控制开启快门让一个光子逸出,当快门关闭后,再测量一次质量。设盒子所减少的质量为m,光子的能量即E=mc2。

爱因斯坦认为,在这个实验中,时间由机械钟控制测量,光子的能量可通过弹簧秤测量质量差得到,两者独立进行,互不干涉,理论上都可准确测量。以此来说明时间和能量不能同时准确测量的不确定性原理是不成立的,玻尔一派的观点不正确,量子力学不自洽。

爱因斯坦的光子盒实验,当场让玻尔哑口无言。但是只过了一个晚上,玻尔用爱因斯坦自己的广义相对论,指出了光子盒实验的缺陷。

玻尔指出:光子跑出后,挂在弹簧秤上的盒子质量变轻,即会上移,根据广义相对论,如果时钟重力方向发生位移,时钟的快慢会发生变化。这样一来,盒子里的机械钟读出的时间就会因为这个光子的跑出而发生改变。换言之,使用这种装置,如果要测定光子的能量,就不能精确控制光子逸出的时刻。

爱因斯坦被玻尔的回击惊得目瞪口呆,自此以后,便放弃了从不确定性原理这一方面来攻击量子力学的想法。“量子理论也许是自洽的,”他说,“但至少是不完备的。”

玻尔那晚也的确被爱因斯坦的“光子盒”问题扰得心神不安,日后多年他仍然一直耿耿于怀。据说,在玻尔1962年去世时,他工作室的黑板上还画着当年爱因斯坦的那个光子盒

索尔维会议与量子的未来

近百年前索尔维会议的玻爱之争和光子盒实验,奠定了量子力学百年的辉煌。而今年的索尔维会议或许也为量子信息科学的未来指明了方向。

用理论量子物理学家Preskill的话说,“本次会议促进了量子物质、量子引力、量子硬件和量子计算机科学方面的交流,可以激发新的想法和见解,指导我们探索复杂的高度纠缠系统的难以捉摸的特性。”

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Preskill强调了本次会议讨论的两个主题。其一是量子信息物理学为控制和探索复杂的多粒子量子系统提供了统一的概念和强大的技术;其二是寻求令人信服的证据证明量子纠错可以延长量子存储时间并提高量子门的错误率。

最后Preskill总结了在第28届索尔维物理学会议上讨论的几个值得注意的问题,可能对量子信息科学的未来发展有所启示:

●关于物质的量子相,经典机器学习能教会我们什么?

要发现量子模拟器的新阶段,我们应该寻找什么?

从含噪声中等规模量子(NISQ)设备到容错量子计算,是否存在一条通过错误缓解的平滑路径?

最近发现的“好”量子低密度奇偶校验码(最终)会大幅降低容错量子计算的开销吗?

量子机器的基本限制是什么?

什么问题有巨大的量子加速?

实验者和理论家应该做些什么来帮助人们理解量子引力?

(来源:光子盒研究院,2022年5月25日)

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