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2012年的诺贝尔物理学奖被授予阿罗什（Serge Haroche）和维因兰德（David J. Wineland），以表彰他们“发现测量和操控单个量子系统的突破性实验方法”。瑞典皇家科学院发布的关于诺贝尔物理学奖的公告里专门强调了他们的研究成果在应用方面的重大意义：“他们的突破性的方法，使得这一领域的研究朝着基于量子物理学以建造一种新型超快计算机迈出了第一步。就如传统计算机在20世纪的影响那样，量子计算机或许将在21世纪以同样根本性的方式改变我们的日常生活。”阿罗什和维因兰德的发现在物理上固然十分重要，但量子计算机日益显现出的潜在应用前景，对他们获得诺贝尔奖大概也加分不少。
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从20世纪70年代起，一些物理学家和计算机科学家开始设想基于量子力学原理的计算装置。1982年，著名理论物理学家费曼（Richard Feynman，1918—1988，获1965年诺贝尔物理学奖）在一次演讲中首次提出了一个利用量子系统进行计算的抽象模型。这标志着跨越物理学与计算机科学的一个崭新领域—量子计算的诞生。三年多后，达奇（David Deutsch）认识到，以费曼的想法为基础，起码在理论上可以建造出通用目的的量子计算机。他在一篇论文里证明量子计算机可以准确无误地模拟任何物理过程，这为量子计算从纯理论走向实践开启了大门。
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量子计算的理论基础是量子力学。量子理论虽然有近百年的历史，但时至今日我们对量子力学的了解可以说仍是只知其然而不知其所以然。如果接受量子力学的原理，我们可以从这些原理出发，对微观世界中的物理现象作出完美的解释。至于为什么有这些原理，大概只有天知道。所以费曼才会宣称“我想我可以放心地说没有人懂量子力学”，他这里说的“懂”当然是指知其所以然。
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“薛定谔的猫”公式图
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“薛定谔的猫”是人们在谈论量子力学的古怪特性之一“叠加态”时最常引用的一个思想实验：把一只猫放进一个封闭的盒子里，然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核和一个装有毒气的容器的实验装置。设想这个放射性原子核在一个小时内有50％的可能性发生衰变。如果发生衰变，它将会发射出一个粒子，而发射出的这个粒子将会触发该装置，打开装有毒气的容器，从而杀死这只猫。根据量子力学，未进行观察时，这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态。但是，如果在一个小时后把盒子打开，实验者只能看到“衰变的原子核和死猫”或者“未衰变的原子核和活猫”两种情况。问题是，这个系统从什么时候开始不再处于两种不同状态的叠加态而成为其中的一种？在打开盒子观察以前，这只猫是死了还是活着抑或半死半活？根据以量子理论创始人玻尔为首的哥本哈根学派的解释，当观察者未打开盒子之前，猫处于一种“又死又活”的状态，一旦观察者打开盒子观察，猫呈现在观察者面前的只会是“活”或“死”的状态之一。换言之，当一个量子系统处于叠加态时，如果不对它进行观测，它会一直处于既是此又是彼的状态。一旦对它进行观测，它则立刻呈现为非此即彼！如何解释量子力学里这类有悖常理的现象，多年来一直令物理学家和哲学家们大伤脑筋。不少人都曾尝试寻找一种说得通的解释，比如被不少物理学家所认可的“多重历史”解释和与其对立的“多重世界”解释。但始终没有真正令人完全满意的结论。著名理论物理学家霍金就不止一次地说过“每当我听见‘薛定谔的猫’这个词，就想拔枪”。不过也正由于奇特的量子叠加态的存在，才使量子计算和量子通讯成为可能。
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量子计算机的另一个根本原理是基于存在一种所谓的量子缠结态。不妨来看一个简单的例子。电子是大家比较熟悉的基本粒子，它本身具有两个自旋态：向上或向下，但如果不进行观测，它可以处于不上不下的叠加态—就像“薛定谔的猫”处于“又死又活”的状态一样。我们可以通过某种物理手段将两个电子耦合在一起，耦合之后的特性是，如果一个电子的自旋向上，则另一个的自旋也必定向上，如果一个电子的自旋向下，则另一个的自旋也必定向下。这两个电子形成的耦合态，就是量子缠结态。由于每个电子的自旋在未被观测的情况下处于叠加态，所以它们组合而成的体系也处于叠加态。量子缠结有一个奇妙的特点：两个电子一旦量子缠结在一起，在不破坏它们状态（即不对其中任何一个进行观测）的前提下，即使将它们分隔在很远的距离之外，其量子缠结态也会继续保持不变。如果对其中之一进行观测，得到它的自旋是向上的，那么在此之后对另一个在远距离之外的电子进行观测所得到的结果就只会是向上的。反之亦然。这就相当于将信息（如果把自旋向上/向下看成是0/1）瞬时从一处传递到了另一处。时下极为热门的量子通讯就是基于这种原理。量子通讯目前只是处于初级的研究阶段，离实际应用还差得很远。最困难的是如何把量子缠结在一起的两个粒子中的一个不受干扰地运到远距离之外，因为一旦被扰动，叠加态将不复存在，一切就都完蛋了。
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有意思的是，量子缠结最初在物理学界引起关注，不是在于它的巨大潜在应用价值，而是被爱因斯坦、波多斯基（Boris Podolsky）和罗森（Nathan Rosen）作为质疑量子力学完备性的悖论于1935年提出的（EPR理论）。他们认为量子缠结态的存在，似乎破坏了在物理学上非常基本的定域性原理，因而应该存在一种可以涵盖所有量子力学结论的更完备的“定域隐变量”理论（或曰“定域实在论”，即定域论与实在论相结合的产物）。30年后，贝尔（John Bell）提出了一个著名的思想实验—贝尔实验，在此实验中，定域隐变量理论和量子理论会得出明显不同的结果。自1972年以来，贝尔实验被实际进行了很多次，精确度也越来越高，所有的结果都指向量子理论优于定域隐变量理论。
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对传统计算机来说，信息是由一系列位元（0/1）合成的编码，这些位元经过特定组合的布尔逻辑门一步接一步地进行处理，从而得出最终结果。量子计算机则是通过量子位元和量子门对信息进行处理。在这点上量子计算机与传统计算机并没有本质区别。所以从理论上讲，传统计算机可以模拟任何量子计算机。但另一方面量子计算机与传统计算机又有着本质的不同。其中最重要的有两点。一是存在叠加态，300个处于叠加态的量子位元所能承载的信息量是2300，这比整个宇宙中基本粒子数量的总和都大得多，是传统计算机根本不可能处理的。二是量子缠结，它使相互缠结的量子位元间的信息传递可以以连锁反应的形式在瞬间完成。这些特性决定了当处理某些种类的计算问题时，不论是速度还是效率，传统计算机都无法与量子计算机相提并论。一个典型的例子是整数的因数分解（将一个整数分解成若干个质数的乘积）。理论上，量子计算机可以在几秒钟内分解一个10200数量级的整数，这对传统计算机来说是根本不可能完成的任务。由秀尔（Peter Shor）在1994年提出的第一个应用于量子计算机的算法—秀尔算法，针对的就是整数分解问题。秀尔算法不仅仅是为量子计算提供一个可行的运算模型，同时还显示出量子计算巨大无比的潜在应用价值。互联网如今已经是人类社会不可分割的一个重要部分，而互联网的安全几乎完全取决于加密技术。在公钥加密和电子商业中被广泛使用RSA加密算法所依仗的，就是对极大整数做因数分解的困难程度。它原本被认为是不可破解的，但在量子计算机面前却可能不堪一击。
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量子计算机的另一强项是搜寻。搜寻是计算机应用上一个非常基本且重要的课题。比如有10个盒子，其中之一里面有一把钥匙。运气最坏的情况是把每个盒子都打开了才最后找到钥匙，即搜寻了10次。平均来说则需要5次。理论上已经证明，如果要从N个东西里搜寻到一个特定的东西，传统计算机需要搜寻的次数是与N成正比的。而格罗弗（Lov Grover）在1996年提出的应用于量子计算机的格罗弗算法，其搜寻次数仅与N的开方成正比。如果N是100万，传统计算机需要搜寻的次数是在100万的数量级。相比之下，量子计算机需要搜寻的次数仅为1000的数量级。
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量子计算机与常规计算机最大的不同在于，一个处于叠加态的量子位元能够同时进行两个独立的运算，而常规位元一次仅能进行一个独立运算。理论上讲，300个处于叠加态的量子位元可以同时进行2300个运算，300个常规位元则只能进行300个运算，它们之间的差异当然是天文数字。
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不论是秀尔算法还是格罗弗算法，它们都只是为量子计算提供了重要的理论依据。要想真正实现量子计算，必须得能建造量子计算机。1994年，劳埃德（Seth Lloyd）和金布尔（Jeff Kimble）等人利用原子与光子耦合技术，创造了最初的量子逻辑门。几乎在同一时间，瓦恩兰（Dave Wineland）和门罗（Chris Monroe）用离子阱与激光技术实现了类似的量子运算。不久之后，麻省理工学院的科研人员使用核磁共振（NMR）技术建造了具有7个量子位元的量子计算机，并在其上应用秀尔算法成功分解了整数15—这标志着量子计算开始由理论走入了实践。总体上说，目前量子计算机的研制仍然处于摸索阶段。专家们对于建造量子计算机的最佳途径也没有共识。除了前面提到的三种方案，还有其他五花八门的十余种方案。然而所有这些方案中并没有一个可以脱颖而出，引领我们造出具有大量量子位元的大尺度量子计算机。
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制造量子计算机最大的难题是如何克服外界对处于叠加态的量子系统的干扰。量子位元不但相互之间能够形成我们需要的量子缠结态，它们也可能与外界的原子、分子之间发生量子缠结。如此一来，外界一个微小的扰动就有可能引发量子计算机中量子位元一系列的连锁反应，使量子叠加态遭到破坏（这种现象被称为量子退相干），从而导致计算错误。因此，量子计算机不得不消耗大量的资源，用以控制和克服量子退相干引起的偏差。这个问题至今也没有找到比较完美的解决办法，可以说是现有的各种量子计算机的软肋。为了有效地对付量子退相干，科学家们正在寻求新的突破口。其中有两个研究方向很值得注意：其一是拓扑量子计算机，其二是以玻色—爱因斯坦凝聚为理论基础的量子计算机。
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由于量子计算机在军事、民用和国家安全等诸多方面具有极大的潜在价值，几十年来，很多政府和民间机构都投入了大量的人力、物力和财力对它进行研究和开发。尽管如此，量子计算机目前基本都还处于实验室研究阶段，我们距离制造出方便、实用的量子计算机还有相当漫长的一段路要走。不过这种情况最近似乎开始发生了一点变化。美国最大的国防工业承包商洛克希德·马丁公司不久前宣布，准备将购自加拿大D-Wave公司的量子计算机系统正式投入使用，用它来“设计和测试复杂的雷达、太空装置和飞机系统”。这是第一家尝试将量子计算机用于商业用途的公司，究竟能否达到预期的效果，也许数年之后才会见分晓。如果洛克希德·马丁公司与D-Wave公司的尝试获得成功，这可能就是量子计算开始起飞的信号。
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三汤对话 [:1702202837]
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三汤对话 群星荟萃的RNA领带俱乐部
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1953年夏天，著名理论物理学家、大爆炸宇宙论之父伽莫夫在加州大学伯克利分校的校园里碰见手里拿着最新一期《自然》期刊的阿尔瓦雷茨（Luis Alvarez，获1968年诺贝尔物理学奖），阿尔瓦雷茨告诉他里面有一篇沃森和克里克（James Watson，Francis Crick，同获1964年诺贝尔生物与医学奖）写的文章很有意思。阿尔瓦雷茨所说的，就是那篇具有划时代意义的关于DNA（脱氧核糖核酸，是一种储存遗传指令、引导生物发育与生命机能运作的生物大分子）双螺旋结构的文章，它是人类在通往发现生命奥秘的道路上迈出的关键一步。伽莫夫回去后仔细读了沃森和克里克的文章，立刻意识到了它的重要意义，并认定自己在这个前途无量的领域里也应插上一脚，有所作为。尽管那时他并不懂生物学，甚至对化学也所知有限。在从伯克利返回华盛顿的路上，他给在剑桥大学卡文迪许实验室工作的沃森和克里克写了一封信，向他们提了一系列有关DNA中核酸序列如何决定遗传信息的问题。沃森和克里克收到信后却没敢立即回信。原因很简单，在科学圈里，伽莫夫是出了名的喜欢捉弄人的家伙，他们可不想被他愚弄，授人以笑柄。直到若干天后又收到了伽莫夫写的一篇有关DNA的核酸序列如何决定蛋白质的氨基酸序列的论文草稿之后，他们才确定伽莫夫不是在开玩笑。在这篇论文里，基于DNA中核酸的排列必须遵从一定的组合规则，伽莫夫建构了一个非常简单的模型，并得出需要以三个核酸一组才能为20个氨基酸编码的重要结论。他的思路虽然是对的，结论却是错的。实际过程远比他想象的要复杂得多，蛋白质的氨基酸序列需要经过RNA（核糖核酸，主要分三类，最重要的功用是在细胞复制过程中对DNA中储存的遗传指令进行转录、识别和转运以及合成所需的特定蛋白质）的传递才能完成。即便如此，他的想法为后续的研究指出了正确的方向，仍然意义重大。
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沃森、克里克和伽莫夫很快成了好朋友。1954年夏天，伽莫夫听说沃森和克里克会去美国著名的避暑胜地鳕鱼角的伍兹霍尔海洋生物实验室工作一段时间，他于是向那里的一位友人借了一所临海的小别墅，这里就成了伽莫夫、沃森和克里克几乎天天聚会的地方。克里克有一段关于那时的回忆：“绝大多数的下午，杰米（沃森的昵称）和我都会去那所小别墅，与伽莫夫一起坐在岸边讨论各种各样的问题—从基因编码到漫无边际的闲聊，有时候就在那儿看伽莫夫给路过的漂亮女孩儿用扑克牌变戏法。在那些日子里，科学研究的节奏不像现在这么忙乱。”对于今天做科学研究的人们，这种悠哉游哉的日子肯定是一去不复返了。
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1954年冬天的某日，伽莫夫、沃森、奥格尔（Leslie Orgel）和斯坦特（Gunther Stent）一起去参加在伯克利的一个晚餐聚会，与会者大都是对RNA结构感兴趣的年轻生物化学家。在餐会中他们四人产生了创立一个协会的念头，协会的目的就是让成员之间能相互交流研究RNA结构的新想法，以及通报各种新消息、新进展。他们最后决定将这个协会命名为RNA领带俱乐部，还限定俱乐部一共有20个会员。以20人为限是因为只有这么多种氨基酸。每个会员都以一种氨基酸作为自己的绰号并配发一条特制的领带外加一个领带夹。伽莫夫亲自为俱乐部设计了领带上的图案—RNA结构的示意图，领带夹上面则刻有对应于每个人代号的氨基酸的缩写字母。比如伽莫夫是ALA（丙氨酸），沃森是PRO（脯氨酸），克里克则是TYR（酪氨酸）。在俱乐部的专用信纸上印着德尔布吕克（Max Delbruck，获1969年诺贝尔生物与医学奖）为俱乐部制定的座右铭：“干就拼命干，不然就别试。”俱乐部的负责人的“官衔”名称也都怪怪的，分别为：合成器—伽莫夫，乐天派—沃森，悲观者—克里克，档案员—易卡斯（Martinas Ycas）和掌玺大臣—瑞奇（Alex Rich）。
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RNA领带照片
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这个俱乐部里的不少人在学界是出了名的“不正经”。比如伽莫夫曾经纠集了几个人给一份著名的德国物理期刊写信，故意指称某人的文章是恶作剧，而其实他们才是真正的恶作剧者。幸好编辑并未上当，没有把这封信登出来。他的朋友们深知其为人，所以有时也会以其人之道还治其人之身，拿他来寻开心。沃森就曾冒伽莫夫之名邀请了两百多人来参加一个酒会，最后还得让伽莫夫埋单。他们搞的这些恶作剧，真真假假、虚虚实实，让人很容易上当。1955年，领带俱乐部的“掌玺大臣”瑞奇从美国来到英国剑桥大学与沃森和克里克合作，准备一举攻克RNA的结构问题。这三人联手无疑是当时生物化学界的最强组合了，他们自己也认为解开RNA之谜非他们莫属。可没过几天，沃森就收到了伽莫夫的一封信，向他报告说爱荷华州立大学的化学家阮多斯（Rundles）已经将RNA的问题解决了，并询问沃森是否应吸收阮多斯为领带俱乐部的成员。阮多斯虽算不上什么成名人物，但毕竟曾在鲍林手下做过若干年DNA和RNA方面的研究工作，如今修成正果，也在情理之中。沃森等人本来还有点将信将疑，但紧接着瑞奇也接到了德尔布吕克的信，告诉他阮多斯的论文已刊登在最新一期的美国化学会志上。那年头可不像现在，一上网什么都能很快看到。美国化学会志通常需一个月后才能寄达英国。他们实在等不及了，由瑞奇给他在美国的一位搞化学的朋友拨了个越洋电话，想让他用电报把阮多斯的论文赶紧拍发过来。结果得到的回答竟是查无此文！他们这才醒悟过来，原来是上了伽莫夫和德尔布吕克的大当。
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RNA领带俱乐部听起来有点像是开玩笑，但其实非同小可，因为它的20个成员几乎个个都是精英，光是诺贝尔奖得主就有六名之多。他们又是一个跨领域的大杂烩，数学、物理、化学、生物、生物化学、物理化学、电子显微镜，不一而足。其中有顶尖的理论物理学家费曼和氢弹之父泰勒（Edward Teller），也有从理论物理转入基因研究并取得重大成就的德尔布吕克。俱乐部的主体当然还是分子生物学界的新星们，约占了1/3。他们这伙人大多是各自领域中的“异类”，差不多每个人都有一串故事。其中很值得一提的是德尔布吕克。