[转帖] 【科技】文小刚：我们生活在量子计算机里[3P]

2019年07月25日 09:13 新浪科技综合

  
　　来源：中国科学报

　　人类生活在一个怎样的世界？

　　凝聚态理论物理学家、美国科学院院士、麻省理工学院终身教授文小刚的答案是，“我们生活在量子计算机里面。量子信息是真实的，而所看到的各种物质、人，都是量子信息的虚拟反映”。

　　7月23日，文小刚做客中国科学院物理研究所，带来了一场题为《物理的新革命——量子信息：物质和相互作用的起源》的科普报告。

　　世界绚丽多彩，物质性质各有不同，它们从何而来？我们如何认识它们？

　　在文小刚看来，我们对世界的认识是通过发现、统一，更多发现、更多统一的循环，一步步地深化。“每一次大统一，都可认为是物理学的新革命。而每一次新革命都为我们打开了新世界，许多基本概念和看问题的方式会发生变化，随之描写世界的语言、数学工具也会发生改变。”

　　历史上的四次物理学革命，充分说明了这一观点。

　　第一次是力学革命，英国物理学家牛顿统一天体运动和地面物体运动的规律，与此同时，他发展了微积分，以此作为数学工具描述牛顿方程；第二次是电磁学革命，英国物理学家麦克斯韦统一了电、磁、光3种貌似不相关的自然现象，还发现了新的物质形态——波形态，他使用的数学工具是纤维丛；第三次是相对论革命，爱因斯坦将时间、空间的弯曲和引力作用统一，在广义相对论中预言了新型物质形态引力波的存在，其数学理论基础是黎曼几何。

　　通常而言，一个物理理论需要数学语言来描写。

　　文小刚表示，牛顿非常了不起，不仅发现了物理定律，还发展了新的数学语言，使得物理理论能够被写出来。

　　而在第二、第三次物理革命中，数学家则走在了物理学家前面，新的数学工具先被发明，物理学家直接拿来使用。

　　第四次物理革命是量子力学革命。文小刚表示，当下，我们正处于第二次量子革命，“量子革命是最神秘、最不可思议的物理革命”。

　　他笑称，这次革命的发生，是物理学家们“非常不情愿的”，是由于发现了很多奇特的自然现象而发展起来的。

　　他认为，量子革命最本质的特征是对“存在”的认识发生了根本性的改变。

　　这一“存在”的方式比我们想象的要多，就像“薛定谔的猫”，活是存在，死是存在，既死又活也是真实的存在。“这种认识是被逼出来的，没有一个理论物理学家喜欢。”

　　这种认识颠覆了传统的世界观，即在量子世界，物质的存在既不是粒子也不是波，既是粒子也是波，即被称为波粒二象性。

　　过去，牛顿认为物质有粒子形态，麦克斯韦、爱因斯坦又发现了波的形态。文小刚说：“量子革命，把物质的波形态和粒子形态统一起来了。”

　　文小刚表示，量子革命之所以意义重大，还在于数学工具也发生了“革命性”改变，即从前三次物理革命中运用的分析几何语言发展为线性代数语言。“量子和代数的眼光，是非常独特的看世界的眼光。”

　　关于量子力学的应用，文小刚认为，信息和物质是统一的，这也是第二次量子革命的本质。“能量是物质的性质，频率是信息的性质，量子物理认为能量就是频率，也就是说信息与物质是刻画同一对象的不同表述，而能量和频率是刻画同一物理量的不同表述。由于历史认识偏差，它们之间存在一个转换系数：普朗克常数，就像斤与公斤一样。”

　　“空间、物质起源于量子信息。”文小刚总结道，世界上所存在的物质，其所具备的奇妙性质都是由量子比特和量子纠缠产生的，而量子信息和量子纠缠处在第二次量子革命中心的地位。“描绘量子纠缠需要新数学，未来，除了融合范畴学，还需要高级范畴学、代数拓扑等各种现代数学的参与，它们将发挥重要的作用。”

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新晋美国科学院院士大胆推测：我们生活在一锅“面条汤”里


2018-05-03   科学网


美国当地时间5月1日，美国科学院公布2018年新当选院士及外籍院士名单，6位华人学者当选，科学网博主文小刚教授是其中之一。为便于大家更好地了解文教授，我们特与大家分享科学网博主罗会仟2013年11月2日发表于科学网博客的文章：


文小刚：凝聚态物理学中的行为艺术家


我们生活在怎样的一个世界？宇宙物理学家也许会告诉我们：其实这个宇宙充斥着许多地球人不了解的暗能量暗物质，剩下的只是可怜的人类自以为认识的小小世界。

但凝聚态物理学家会从这个小小世界告诉你宇宙这个大世界是什么样的，可不，文小刚教授就大胆推测：我们生活在一锅“面条汤”里，用更具有量子味道的语言来说就是——我们生活在一个量子信息世界，整个世界就是一个巨大的量子计算机，用科幻的语言来说就是——黑客帝国里的矩阵世界可能比真实的物质世界“更真实”（文小刚：我们生活在一个量子计算机里）。

辛勤耕耘的IT码农们，福音来了，那堆枯燥冗长的代码里，隐藏的可是开启宇宙奥秘的钥匙！前提是，你得进化到量子世界里去。





做凝聚态物理的，可谓是谁人不识大牛文小刚！1977年进入中国科大物理系，1981年以第一名的成绩通过CUSPEA（李政道主持的中国－美国联合招考赴美物理研究生）考试赴美留学，1987年获得普林斯顿大学博士学位，之后在加州大学圣巴巴拉分校理论物理研究所做博士后，1989年回到普林斯顿高等研究院任研究员，1991年到麻省理工学院任教授，现兼任清华大学高等研究中心讲座教授。2002当选为美国物理学会Fellow。1994年荣获海外华人物理学协会优秀青年科学家奖，荣获1992-1997年的斯洛恩奖。

这位物理大牛是如何炼成的？从网上搜罗的信息可以知晓一二。科班出身自不必说，CUSPEA第一名有多厉害？你要知道，李政道出的考试题可是难中之难，放在现在高校物理系里考试的话，恐怕无数人要恐惧的不是挂科，而是吃鸭蛋了。

当然，考试厉害也不算啥，中国人考霸太多。考不好的也不意味着不能成为物理大牛，沈志勋教授当年据说是CUSPEA录取名单中倒数第几个的，但一点都不妨碍他靠勤奋和努力赢得了凝聚态实验物理学家大牛的地位，属于美国总统科学顾问量级，获得了凝聚态物理最高奖项——巴克利奖，仅次于诺贝尔物理学奖。

不过文小刚教授做科研可不是为了拿诺奖，人家向往的是做学问最基本要素——兴趣。在听他报告或看他的文章中最常见的一个词就是：这是一件很有趣的事情。

做物理研究是一件多么有趣的事情？文小刚以他的亲身经历告诉了我们答案。科大读本科时，他学的是低温物理专业，给了他基本物理素养和能力；赴美留学时，他选择了普林斯顿，就是冲着凝聚态物理界所有人的偶像——PW Anderson祖师爷去的，但过去才发现原来高能物理很热闹，于是他转而搞高能物理，弦论的理念就此在他脑中扎根；博士后期间在加州大学圣巴巴拉分校，他的同事——著名的诺奖得主——超导BCS理论中的S——施里弗，又用超导研究的魅力吸引他回归到凝聚态物理领域；回到普林斯顿的文小刚已经摇身变换了专业，但不变的是他追求物理之美的浓厚兴趣。

再之后MIT和清华兼职已经是功成名就的事情了。清华高能研究院号称中国的普林斯顿，里面有清华校长做院长，也有杨振宁这样的老牌诺奖得主坐阵，还有张首晟这样的诺奖潜力新秀发扬光大，能在里面做讲座教授的，不是一般人。文小刚在清华做客座，目的也很简单，吸引更多的年青人投入到他所感兴趣的研究中来，因为他的研究，没有足够的数学和物理基础，是很难搞懂的。

在凝聚态物理学界，文小刚就像是个行为艺术家。当99%的凝聚态理论学家都在忙着搬砖添瓦，做点各种模型的近似啦计算啦修修改改啦的时候，文小刚没有随大流，而是特例独行地去试图寻找凝聚态理论中最基本的东西。

凝聚态物理理论框架最重要的就是朗道的费米液体理论和对称自发破缺理论（见李铭“文小刚对凝聚态物理的认识”），但文小刚认为这个理论框架不够完美，或者，没有Touch到物理最底层的实质。于是他展开了漫长的寻找世界本源的历程，从上世纪80年代，一直到现在。

文小刚到底找到了什么？就是文章开头所说的“一锅面条汤”和“量子信息世界”。在凝聚态物理学家们眼中看来，文小刚的理论，就像是曲高和寡的阳春白雪，是一门非常高雅的艺术，常人难以理解。这有点像粒子物理学家看那些做弦论或膜论的科学家，难道非要把这个世界搞得这么玄妙非常不可么？

我听过许多场文小刚教授的报告，也看过他不少科普文章，老实说，他讲的东西非常有趣，但是我一点都不懂。作为纯粹实验物理出身的我，也没有任何信心能够读懂他撰写的《量子多体理论:从声子的起源到光子和电子的起源》，还好他曾表示那根本不是一本教材，不过是把自己的文章札记归类整理成书而已。但作为一个普通的凝聚态物理研究人员，我对文小刚教授的idea感到非常欣赏，套用老杨的话就是：这些想法实在太漂亮了，如果不和大家分享，简直是不人道。

说了半天，“面条汤”到底是啥，该解释一下了。这一回头，就是一百多年前，当年经典物理陷入的危机之一，就是光的载体——以太到底是否存在？迈克尔逊-莫雷的实验证明光速是各向同性的，也就是说经典的以太并不存在。但一百余年后的今年，已经是量子力学的物理时代，量子形式的以太会有么？我们清楚地知道光是一种电磁横波，但是什么东西的振动产生了电场和磁场，又是什么东西的振动产生了光？

文小刚带着一个从本科时期就孕育的物理问题，思考出了新形式的以太——弦网液体。这个想法很简单，因为光是横波，而液体是不能传播的——液体里只有如声波等的纵波，固体里面不止有横波也会有纵波，所以必须寻找到一个既不是液体也不是固体的物质。

文小刚巧妙借用了弦理论中的思想，在那里基本粒子都从零维的点模型变成了一根根一维的弦，弦的振动、卷曲、缠绕的方式决定了粒子的质量、电荷、自旋等性质。如果假设我们的世界是由无数根看不见的“弦”组成，弦在不断随机波动地涨落，就像一锅开水中的面条一样（有的面条是个圈），形成了“面条汤”——弦网液体，那么光就是弦网的密度波（只有横波分量）。

找到了量子世界的以太，文小刚还不满意，他进一步发现他的弦网液体理论还可以解释电子，如果面条不是个圈，那么它的端点就正好对应一个带电荷的费米子——它就是电子或夸克！那么很显然，弦网世界里电磁场也很容易得到解释，不过是弦网端点分布造成的结果而已。

这锅“面条汤”可不简单，它巧妙地利用弦的概念统一了光子和电子/夸克，而电子和夸克可以组成一切原子，这些都是凝聚态物理中最基本的研究对象！就像粒子物理学中的弱电统一模型甚至大统一模型，无处不在的Higgs场让粒子拥有了质量，在凝聚态物理学中，无处不在的弦网液体形成了光子和电子，我们的世界因这锅“面条汤”而变的鲜活多味。

这种弦网究竟是什么？文小刚告诉我们其实就是量子世界的“长程纠缠”，用这种长程纠缠的概念可以推导出麦克斯韦方程和狄拉克方程——这已经是现代物理学中最基本的方程了，也很有希望统一描述所有的基本粒子。

进一步，为了更清楚地描述弦网凝聚思想，文小刚借用了量子计算机中的量子比特概念。量子比特其实代表的就是空间中的量子相互作用信息，量子比特的元激发就像固体中声子元激发一样，会产生准粒子，不过这里的“准粒子”就是光子和费米子，由于长程纠缠弦网凝聚的作用，光子和费米子可以稳定存在。

我们的空间充斥着无数量子比特（好比一个巨大的量子计算机），其基态就是真空，而其激发态就是基本粒子，其运动造成的结果就是电磁波。是不是越来越科幻了？



文小刚的理论，就相当于凝聚态物理学中的“大统一模型”，有一种“终极理论”的意味。但凡敢挑战终极理论且确认不是民科的，只能是物理学超级大牛，因为这不仅仅需要天马行空的思维，也需要严谨细致的数学素养，更需要清晰明确的物理图像。很少人能做到这一点，但文小刚这位行为艺术家，他坚定地迈出了这一步。

做这种理论的，很难被人们广泛接受或很快认可，这不，文教授刚又发现他好多paper都是十年八年后才被人发现并引用（文小刚：有时要等十年八年，工作才被认可）。

做基础研究，不容易啊！这是文小刚在不余遗力地科普宣传他的理论的原因之一。这不，他终于转战到了科学网，开通了博客（文小刚的博客 ）。他坦言要为科学网贡献点正能量，我们很多人都十分期待。

文小刚做的高端大气上档次的科普，显然和我这种面向中小学生的科普不在一个水平线。本人有缘在读研伊始就听说文小刚大名，有幸在诸多国内会议认识文小刚（他不认识我），也多次聆听过他的学术报告，更神奇地发现自己老婆的师兄的亲哥哥是文教授的得意博士后。世界就像一张弦网，把原本看似不相关的人，搅合在了一起，这就是缘分。基于缘分之名，我撰写了此文，也希望大家多关注大牛文小刚，多为科学网贡献正能量。



本人和文小刚教授泰山合影