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2019物理学：黑洞之光和有噪中度量子时代的晨曦 | 知识分子年度盘点

2019/12/28

导读

文章千古事，得失寸心知。对于大大小小的每一个领域来说，对于每一位科学工作者来说，2019年自有得失。科学上真正的重要性亦不在于一时的吸引眼球。

插图素材：Pete Linforth from Pixabay

撰文 | 施郁（复旦大学物理学系）

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总的来说，我感觉，目前物理学的重要进展比较多地在于实验、观测和技术的进步，而少有重大的理论突破。但是随着实验进步的积累，理论突破可以期待。例如，天文观测确定了暗物质和暗能量，虽然有各种理论，但还是猜测性为主；很多迹象早已表明粒子物理理论需要超越标准模型；凝聚态理论和量子场论中的强关联依然困难；面对生命科学积累的丰富的实验资料，虽然物理学家已关注多年，普适的理论还有待建立。

明年欧洲粒子物理实验室（CERN）将决定是否建造周长100公里、能量六倍于大强子对撞机、价值234亿美金的 “未来环形对撞机” [1]。

下面我评介2019年两个进展特别突出的物理学领域。

黑洞之光

1919年，英国天文学家宣布，远方恒星的光经过太阳附近时，发生偏折，验证了爱因斯坦广义相对论的预言。在第一次世界大战的废墟上，这个物理学新闻让世界震动，也将爱因斯坦送上神坛。

100年后的2019年，最大的物理学新闻也是关于广义相对论的验证，也是通过光线偏折：光线偏折成了一个环！

黑洞外的吸积物质产生的光（电磁波）在一个所谓光子环上绕行 [2,3]。光子环的大小是黑洞视界的1.5倍。在黑洞视界之内，任何物质，无论如何不能逃逸。而光子环上的光则可以逃逸，波长较短的无线电波（又称射电波）可以穿透星系中心的气体和尘埃，被地球上的射电望远镜探测到。光逃离黑洞时，也向外偏离，所以光子环看上去成为视界的2.6倍。

2017年4月，5个连续的夜晚，全球8个射电天文台的望远镜同时指向5500万光年外的M87星系的中心。这些望远镜中包括全世界最大的毫米波长天文台，建在智利的、拥有66座天线的ALMA，以及10米的南极望远镜等等。这些望远镜协同工作，利用原子钟同步，并将数据整合，利用相干效应，等效于一个接近地球大小的大望远镜。这就是采用超长基线干涉（VLBI）技术的视界望远镜（EHT），两百多名研究人员参与到了该项目。EHT 搜集的数据达到15千万亿字节，超过大强子对撞机一年的数据量。

研究人员将不同温度的电磁辐射用不同的颜色表示，得到黑洞的首张 “照片”。这个黑洞的质量是太阳质量的65亿倍，相对于我们顺时针旋转。黑洞位于光环里面。所以照片可以称为黑洞的剪影或影子。

图源：https://www.eso.org/public/images/eso1907a/

绝大多数星系的中心都有这样的超大质量黑洞，我们银河系中心也有，这就是位于人马座的射电源Sgr A*。这个黑洞的质量是太阳质量的430万倍，距离我们只有2.7万光年。也就是说，比M87近2千倍，但是质量大1千倍。因此从地球观察，M87中心和Sgr A*两个黑洞的角度尺寸接近。

EHT一开始是同时观察M87中心和Sgr A*。但是Sgr A*周围的物质变化太快，图像不清楚，所以集中观察M87中心。

明年EHT将开始新的观测 [4]，有望给出Sgr A* 的观测结果，甚至可能包括黑洞外的气体乃至喷流的视频。EHT的观测波长从1.3毫米降到了0.86毫米，以增加分辨率，而且已经有格陵兰岛、亚利桑那和法国的射电望远镜新加入EHT，将来还会拥有更多在世界各地乃至太空的望远镜。

另外，引力波也已经成为观测黑洞和中子星的重要手段 [5]。2015年激光干涉引力波天文台（LIGO）最早观测到的引力波事件就是来自两个黑洞的并合 [5,6]，后来又观测到几次黑洞并合 [5,7]。2017年，LIGO 和欧洲的 VIRGO 首次观测到两个中子星的并合。今年4月25日，LIGO 和 VIRGO观测到5亿光年外的两个中子星的碰撞。4月26日，他们又观测到12亿光年外的中子星和黑洞的碰撞。值得注意，这是第一次观测到黑洞吞噬中子星。

图源：Caltech/MIT/LIGO Laboratory [Public domain]

最近，LIGO 和 VIRGO 都增加了压缩光设备，这降低了量子噪声，更加准确测量光子在发生干涉时的时间，从而增加了灵敏度 [5,8]。

黑洞、引力波都是一百年前的理论预言，但是只有等到当代才能被仔细观测，因为这依赖于很多当代的科学技术。通过对黑洞附近的电磁波以及黑洞发出的引力波的观测，我们将会大大提升对于黑洞这一极度弯曲的时空区域以及对于星系核的认识。

有噪中度量子时代的开始

一个比特有0和1两个状态，2个比特有00、01、10和11四个状态，N个比特有2^N个状态。量子比特则可以处于这些基本状态的量子叠加态，代表每个基本状态都可能，而且每个由基本状态重组而成的新的基本状态也有可能 [9]。

量子计算的方案正是基于对量子叠加态的操控。根据需要解决的计算问题，巧妙地设计量子态的演化过程。对于演化终态做测量，得到各种基本状态的概率分布。这个概率分布巧妙地包含了对计算问题的解决。比如通过著名的Shor算法，量子计算有效地使得整数分解成素数因子，速度比经典算法指数级提高。不过真正有用的因子化需要几百万量子比特。

但是量子态很脆弱。如果量子比特与环境耦合，量子叠加态就会受到破坏。这也叫噪声。而另一方面，为了完成量子计算，量子态演化以及最后的测量又需要操控。这个矛盾使得量子计算很难在物理上实现。量子比特数目越多，则越难实现。而抵抗噪声的量子纠错需要更多的量子比特。

但是，美国加州理工学院的理论物理学家 John Preskill 指出，对于某些计算任务而言，50至100个量子比特的有噪中度量子（NISQ）计算就可以超出目前所有的经典计算机，尽管这样的量子计算过程有噪声，缺少容错功能，不是普适量子计算机。这就是所谓量子霸权（quantum superamacy）或量子优势（quantum advantage）[10]。而且这样的装置可以用来实现对于各种量子多体过程的模拟，探索多体量子纠缠的性质。量子纠缠是来自量子叠加态，超越经典关联的一种关联 [11]。

如果系统包含的量子比特数目N足够大，比如50到100，那么2^N个基本状态上的概率分布就可以演示量子优势。因为即使N不是很大，2^N已经是如此之大，对于某些问题，经典计算机已经不能有效解决，而量子计算可以通过实验取样决定。最近的两个实验完成了这样的工作。

Google 公司John Martinis 领导的量子计算研究组用53个超导量子比特（每个量子比特物理上由超导器件实现）组成的处理器 [12]，实现了1亿亿个基本量子态构成的状态空间。他们的量子线路中包含随机选择的单比特门，以此进行所谓随机量子线路取样。然后在输出态中，统计基本量子态概率分布。他们在两百秒内进行了一百万次采样。同样的计算任务需要耗费目前超级计算机的很长时间。Google 团队自己说是1万年，后来 IBM 的科学家说是两天半，但是要使用大量的信息存储空间。

Martinis团队研制的53个超导量子比特组成的处理器。图源：F. Arute, et al., 2019.

量子优势的另一个演示来自中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳领导的研究组，在他们的实验中，20个光子在60个单光子状态上进行分配，输出量子叠加态 [13]。光子是玻色子，也就是说，光子是互相不可区分的，而且不同的光子可以占据相同的单光子状态。这导致基本量子态有370万亿个之多，但也导致计算基本量子态的概率分布非常复杂，通常用经典计算机的计算非常费时，正如大数因子化。而在量子实验中，这可以直接取样测量。通过随机采样计算这个概率分布的方法叫做玻色采样，是量子优势的一个体现途径。

潘建伟、陆朝阳团队演示量子优势实验的玻色采样装置。图源：H. Wang, et al., 2019

实现了量子优势后，一个有趣的问题就是在科学研究和应用上寻找更有用的用武之地。

另一方面，我认为，从基础物理学角度来说，有噪中度量子系统也有特别的意义。安德森（P. W. Anderson）有句名言 “多者异也”（more is different），即大量粒子构成的多体系统呈现出单个或少个粒子不具有的涌现（emergent）性质。处于可控量子态的多体系统，带来了 “量子多”（quantum more）或 “量子复杂性”（quantum complexity）这一新的方向。

有噪中度量子时代的晨曦已经降临。

“

作者简介

施郁，1989年和1994年在南京大学分别获学士和博士学位，在该校物理学系和天文学系学习过。2005年至今任复旦大学教授。曾在剑桥大学、科隆大学、伊利诺伊大学、清华大学高研中心和德克萨斯大学工作过。从事理论物理若干领域的研究，涉及量子物理与量子信息，凝聚态物理和高能物理。同时也研究物理学史。

参考文献

1. D. Castelvecchi, Plans for LHC’s super succesor, Nature, Vol. 565, 410 (2019).

2. EHT Collaboration. Focus on the first Horizon Telescope results.Astrophysical Journal Letter, 2019, April 10.

3. 施郁. 从1919到2019：光线偏折对广义相对论的两次伟大检验. 知识分子, 2019年 5月29日。

4. Daniel Clery. Darkness made visible, Science, 20 Dec 2019, Vol. 366, Issue 6472, pp. 1434-1435.

5. LIGO官网，https://www.ligo.caltech.edu/

6. 施郁，三位引力波猎手，获第二届“复旦-中植科学奖”，知识分子，2017年9月22日。

7. 施郁，引力波的世纪追寻，科学，2018，70（3）：14-17；70（4）：15-19；70（5）：26-31；物理文化与施郁世界线公众号：https://mp.weixin.qq.com/s/x0nd-qxPTVFmM2OkvKF6PQ

8. 施郁，爱因斯坦在1916：从引力波到量子电磁波，知识分子，2016年3月29 日

9. 施郁，揭开“量子”的神秘面纱，赛先生，2019年12月7日。

10. J. Preskill, Quantum 2, 79 (2018).

11. 施郁. 揭秘量子密码、量子纠缠与量子隐形传态，自然杂志，2016年38卷4期，241-247；量子纠缠是什么，物理文化与施郁世界线公众号：https://mp.weixin.qq.com/s/jW469_M8KziPRif8zf-6eA

12. F. Arute, et al., Quantum supremacy using a programmable superconducting processor, Nature, 574, 505 (2019).

13. H. Wang, et al., Boson Sampling with 20 Input Photons and a 60-Mode Interferometer in a 1014-Dimensional Hilbert Space, Phys. Rev. Lett. 123, 250503 (2019).

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