独家专访：诺贝尔物理学奖获得者 Alain Aspect 谈量子计算

阿兰·阿斯佩 (Alain Aspect) 是法国物理学家，因其在量子力学领域的开创性工作，特别是对纠缠粒子性质的开创性研究，于 2022 年获得诺贝尔物理学奖。 Aspect 的研究阐明了量子物理学最奇怪的特征。 他在 1982 年用纠缠光子进行的贝尔不等式（Bell’s inequalities ）实验帮助解决了 1935 年的“爱因斯坦-玻尔争论”（Einstein-Bohr controversy）。 他和他以前的博士生，法国物理学家 Philippe Grangier 随后证明了单个光子的波粒二象性。 在1985–1992年间，他与 1997 年获得诺贝尔物理学奖的法国物理学家克劳德·科恩-坦努吉 (Claude Cohen-Tannoudji)  一起开发了原子激光冷却技术后，转向原子光学，他的团队用原子而不是光子重新审视了量子光学的里程碑，并创造了无序材料量子模拟器。 

Aspect在他的整个职业生涯中进行了大量实验，揭示了量子世界的奥秘。 他最重要的贡献之一是在量子纠缠方面的工作，通过量子纠缠，两个粒子可以以一种方式连接在一起，以至于我们无法谈论每个粒子的状态，只能谈论这对粒子的全局状态。 他对纠缠光子的研究为量子物理学的最新进展和量子计算的创建奠定了基础。 

Aspect 在接受 EE Times Europe 采访时说：“诺贝尔奖是因为展示了（量子）纠缠的非凡特性而获得的，但我还研究了许多其他令人惊叹的量子现象，包括将原子冷却到单光子反冲以下。” 

Aspect 对冷原子的研究是创新方法的一个例子，它可以冷却、用激光固定和操纵原子。 这种方法对于实现中性原子量子计算至关重要。 他的研究还促使 Grangier 开发了用于单原子的光镊。

2022 年 12 月 10 日，物理学奖得主阿兰·阿斯佩克特在颁奖典礼后展示他的诺贝尔奖奖章（照片：Nanaka Adach；来源：nobelprize.org）

 “我认为光子非常适合产生随机数发生器原子和其他涉及几个量子位的处理，”Aspect 说。 “在 Pasqal 中使用的 Antoine Browaeys 的中性原子方案的主要优点是 有可能形成3D 结构，这意味着可以轻松实现扩展。” 

Aspect 教授的研究通过违反贝尔不等式清楚地证明了两个不同光子之间的纠缠。 纠缠物体的每个组成部分都与其他部分紧密相连，即使它们之间的距离阻止了相互作用。 纠缠是量子物体的一个基本特征。 第二次量子革命就是由这个想法驱动的。 

Aspect 说：“自 80 年代以来已经证明，当你想要拥有一个真正基本的量子现象时，你需要能够处理单个量子对象，而不是一个你只能集体控制的对象集合。” 

量子计算旨在克服经典计算的局限性，带来前所未有的处理能力，以解决以前无法解决的现实问题。 根据 Aspect 的说法，目前量子计算面临两个主要挑战：

• 第一个是退相干，主要与原子的屏蔽和冷却有关；
• 另一个挑战是随意将任何站点与任何其他站点纠缠在一起的可能性。 

但是，他认为解决这些问题并非根本不可能，只不过涉及到“能否工程实现”或“仅仅是一个好主意”的问题。 

Aspect 表示，量子计算技术将稳步提高。“这就像您可以在许多工业应用中找到的学习曲线一样。”

“让我们以激光为例，”他说。 “为大多数应用提供足够好的激光器需要几十年的时间。 我毫不怀疑，当需求存在时，当没有基本物理定律告诉我们这是不可能的时候，这就是工程问题。 如果你既有市场，又能投入资金，它迟早会成功，不一定像想象的那样。 即使在那个阶段，人们也需要灵活性。” 

获得诺贝尔奖的Aspect同时也是第一家量子计算公司Pasqal的联合创始人，他认为，在不远的将来，我们应该会有量子模拟的相关应用。 第一个应用与优化问题有关，例如电网的平衡。 这个问题变得越来越重要，因为我们需要随时平衡电动汽车充电站吸收的电力与网络需求。 它类似于旅行推销员问题（travelling salesman problem），其中复杂性随节点数量呈指数级增长。 

关于Pasqal

量子处理器可以构建在多种平台上，包括捕获离子、超导电路、量子点和中性原子。 法国初创公司 Pasqal 正在开发其中性原子量子计算平台，目标在2024 年之前交付 1,000 量子比特的量子计算机。

Pasqal 是光学研究所（Institut d’Optique）的衍生公司，由 Georges-Olivier Reymond、Christophe Jurczak、Aspect、Antoine Browaeys 和 Thierry Lahaye 于 2019 年共同创立。

Pasqal 使用单个激光器，然后将其分成多个激光束。 这意味着该解决方案具有高度可扩展性，因为它允许控制数百个量子位。 量子操作的质量与激光束的质量直接相关，例如在频率稳定性方面。 他们正在使用最好的激光来实施一些稳定技术，以保证量子操作的这种高效率。

关于密码学 

另一个重要的应用是量子密码学。 正如 Aspect 指出的那样，“量子密码学的问题在于我们需要量子中继器，因为超过几十公里，信号就会变弱。 要拥有好的量子中继器，我们就需要好的量子存储器。 再说一次，我认为没有任何物理基本定律表明不可能开发出良好的量子存储器，所以我们迟早会有一些。”

量子物理学提供了一种具有量子密钥分发的信息理论上安全的方法，允许两个远程方安全地生成秘密材料。

考虑到量子计算的未来，Aspect 表示我们不仅需要优秀的物理学家和工程师，还需要优秀的计算机科学家。 量子物理学很难，主要在大学或公共研究中心进行研究。 另一方面，产业要入局，必须培养相应的专家。

量子计算技术在过去五年中取得了进步，预计在未来五年内会进一步发展。 量子技术将主要增强现有计算机，很少会取代它们。 新的量子技术将迅速发展，并创造出新的应用。 几年后，随着技术部署的加强，将出现由经典计算机和量子计算机组成的混合系统。 化学模拟可能是量子计算机具有最大影响的应用，会影响到包括医学发现和电池技术进步等。

产业界和学术界在量子计算方面的合作将促进从简单采用高级量子编程，到在量子机器上执行的转变。

这为研究人员和教育工作者提供了关于未来容错量子计算机的量子应用设计的重要见解，未来的合作将为他们提供必要的工具和资源，以加快量子计算研究和教育计划。

“我几乎一生都在做基础研究，”Aspect 说。 “现在，接近我生命的尽头，我必须承认，如果这项基础研究有应用，那将是发生在我身上的最好的事情。 那将是对我生命的一个很好的额外奖励。”

（参考原文：Physics Nobel Prize Winner Alain Aspect Talks Quantum Computing，编译：Luffy Liu）