18、光子量子信息科学探索

光子量子信息科学探索

1. 引言

我们生活在围绕太阳旋转的小星球上，太阳只是众多恒星中的一颗。数以亿计的恒星构成了我们的星系，而星系又是更大结构的一部分。从宏观的宇宙结构来看，我们的存在显得十分渺小。而当我们将视角转向微观世界，会进入生物细胞、DNA、小分子、原子、原子核和夸克的奇妙世界。有趣的是，我们的物理尺寸几乎处于已知最大天文结构和最小微观结构之间。

这一切宛如壮丽的奇迹，我们显然远未理解自身在其中的位置。我们睁大眼睛，惊叹于宇宙之美，也对人类的行为感到震惊。我们试图理解宏观与微观世界，令人惊讶的是，尽管我们对似乎潜藏在远处的无限概念感到困扰，但我们的思维似乎能够较好地应对宏观宇宙的结构。然而，在理解微观结构时，我们的大脑开始真正地犯难。

20 世纪发现了支配微观世界（并间接影响宏观世界）的量子物理基本定律，但到目前为止，我们尚未找到一个逻辑上（被普遍接受）的底层解释。爱因斯坦和玻尔的一则轶事体现了关于我们理解量子物理能力的不同观点。爱因斯坦喜欢说：“上帝是微妙的，但并无恶意。”这反映了他期望自己的思维能够深入理解量子物理的基本定律。有一次，玻尔回应爱因斯坦说：“请别再告诉上帝该怎么做了！”显然，玻尔将人类置于更谦卑的位置。

近期量子信息科学的发展在某种程度上呼应了玻尔的观点。我们接受量子物理那些神秘而美妙的定律，并尝试探索它们，以设计出令人惊喜且可能有用的设备。通过这样做，我们确实对量子物理的运作有了越来越多的洞察。在一定程度上，我们对经典物理的理解也遵循了类似的路径，即通过熟悉定律而非深入理解来接受物理定律。

2. 量子之谜

微观粒子的波粒二象性是量子力学最基本且令人惊讶的特征之一。在单个粒子层面进行的著名