量子蒸汽朋克：量子物理学的一个新前沿

量子引擎运行可能多有效的？

13.8 — APRIL 20, 2022

Marcelo Gleiser

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关键要点

量子蒸汽朋克混合量子信息和热力学。它承诺来彻底改变我们的机器的理解和技术的未来。

该领域将重新构想21世纪的维多利亚热力学理论，并计算出量子引擎可能多有效运行。

一个量子系统有一个杰基尔和海德一样（Jekyll-and-Hyde-like）的个性。一个主要的挑战是计算出怎样调和这两个方面。

量子物理学家尼克尔杨格哈尔颇恩（Nicole Yunger Halpern）刚刚出版了她的第一本书量子蒸汽朋克昨天物理学的明天（ Quantum Steampunk: The physics of yesterday’s tomorrow），自她还是达特茅斯学院的一名本科生时我就认识从妮可，在那里她于2011年作为毕业生毕业。从那时起，她的职业生涯就一直斐然的。她拥有加州理工学院的博士学位，并在哈佛大学和马里兰大学获得了多项研究任命。她现在在美国国家标准与技术研究所的激光冷却和捕获小组工作，也位于马里兰州。在本周的专栏中，她和我一起接受了采访。.

关于尼克尔一直给我留下深刻印象的是，除了她异常敏锐的思维之外，她的智力的开放性------尤其是她对物理学的哲学和历史的兴趣。曾经有一段时间，当我们讨论她未来的职业道路时我想她会进入人文学科。妮可明智地选择了研究的道路。她加入了新兴的量子信息领域，从那里，她已经制定了她自己的新方向。

量子蒸汽朋克是一个量子信息和热力学的混合。它承诺彻底改变我们的机器的理解和技术的未来。作为一个奖励，它可能会为物理学中一些最困难的问题提供新的洞察，比如时间之箭，或者为什么我们不能记得未来。以下是我们对话的一个总结。

马尔赛罗格雷瑟尔（Marcelo Gleiser）：告诉我们关于你对蒸汽朋克的迷恋。它是来自你童年的某些东西吗？是否它激发了你进入物理学？

尼克尔杨格哈尔颇恩：我小时候确实遇到过蒸汽朋克，尽管我当时并不晓知这种类型。例如，我阅读并崇拜戴安娜·韦恩·琼斯（Diana Wynne Jones）的《克雷斯托曼奇编年史》（Chronicles of Chrestomanci）和菲利普·普尔曼（Philip Pullman）的《他的黑暗材料》（His Dark Materials）系列，但我没有认识到它们为一个文化模式的部分。对我来说，它们只是迷人的书，而迷人的书作为一个整体把我推向物理学。我从小就一直在读书------在家里，在课间休息时，在餐馆等待食物------因此，我逐渐习惯了在我的想象中来建造和居住世界。我现在作为一名理论物理学家在我的想象中建造和居住世界。

当你开始写蒸汽朋克时，你第一次在思维中有一部小说吗？创作过程对你来说是怎样运作的，以一种不同寻常但极好的参与叙事形式结合小说和非小说？

虽然我的书大多是非虚构的，但每一章都以一个生活在我的想象总的量子蒸汽朋克小说的片段开始。蒸汽朋克小说有可识别的比喻：黑暗、危险的伦敦街道;飞艇和热气球而不是飞机和汽车;一个活泼，聪明的拒绝被社会的期望（和紧身胸衣）束缚的女孩，。我喜欢玩弄这些比喻的想法------以一种眨眨眼的方式------在否则一本关于严肃科学的书里。

在你的职业生涯中什么时候开始变得清楚的你想进入量子物理学领域？一个事件，一个导师，一本书，是否特别激励了你？

     我总是一直有过哲学倾向，而我的高中形而上学老师加剧了这种倾向。虽然他不懂量子物理学，但量子物理学的悖论着迷了他，他把这种迷恋传给了我。因此，在大学里，我通过物理、哲学、数学和历史课程的镜头学习量子理论。我开始评价量子理论在基础思维和应用之间的边界上占据了一个不寻常的位置。一方面，量子理论挑战我们的现实本质的理解。另一方面，量子物理学正在被用于工程新一代量子计算机、传感器、加密系统等。我用一种实践基础的欣赏形而上学的平衡。

然而，大学毕业后，通过哪个镜头我参与量子物理学是不清楚的，直到最后------直到我的大四春天，当我选修了你的物理学史课程时。我在那门课程中努力工作，学习了负荷并且非常享受自己。不过，在物理课程中已经遇到了一些主题，我数学上更彻底地理解了它们并彻底的不是我作为一个非物理学生参加这门课程。此外，我们触及了一些我以前从未研究过的主题，比如粒子物理学。品尝它们，我不能忍受从未彻底理解它们的想法。因此我只必须成为一名量子物理学家。

量子信息，您能向我们的读者解释一下吗？

首先，什么是信息？它基本上是来区分替代方案之间的能力。信息的基本单位是位，如果你没有答案是是或否问题你获得的信息的量，你学习这个答案。在一个非量子（“经典”）计算机中，一个位被编码在一个晶体管中能有为1或为0的值。为了学习被在晶体管中编码的位，我们只能用一种方式询问晶体管：我们只能“测量”晶体管的值是1还是0。量子信息的基本单位称为“量子比特”。例如，它能被存储在一个电子中，我们能以无限多种方式中的任何一种方式询问它。因此，从某种意义上说，量子信息编码比经典信息远更多的可能性。

量子物理学如何与热力学相结合来创造量子蒸汽朋克？

蒸汽朋克是一种文学、艺术和电影类型，其中未来主义技术充斥着维多利亚时代的环境。虽然最早的工厂正在嗡嗡作响，但戴着礼帽和护目镜的发明家制造时间机器、飞船和自动机。我在我的研究领域量子热力学中看到了这种流派的精神。热力学，能量的研究被在维多利亚时代发展。受到这些早期工厂的启发，思想家们分析了引擎------当时的尖端技术------如何高效运行。今天的尖端技术包括量子系统，它们有巨大的不同。

量子系统往往很小，仅由几个原子或其他粒子组成，并且能以对日常物体不可能的的反直觉方式运行。（我想熟悉你写作的读者会已经看到“超位”、“量子不确定性”和“纠缠”等术语）。科学家和工程师正在利用这些违反直觉的行为来构建量子计算机，这些计算机将能够在几分钟内解决某些问题，这些问题将使今天的计算机花费多年。因此，我们必须重新构想21世纪的维多利亚时代热力学理论，并计算出量子引擎的运行有多有效的！这种维多利亚时代的热力学和未来量子计算的融合，我称之为量子蒸汽朋克。

你似乎是一个量子计算将改变世界的强坚信者。为什么？对实现量子计算算法不是存在一些严重的技术障碍吗？对量子计算机能解决的问题类型是否有限制？还是这些障碍已经通过最近的发现已经被解决？

 说实话，我对量子信息理论------被量子计算机的承诺启发的数学和概念工具包------比对量子计算机本身更感兴趣。（作为一名理论家，我宁愿玩弄想法和数学也不愿玩技术）。量子信息理论已经改变了我们的对量子系统的理解，从分子到材料再到黑洞，我们现在通过它们如何存储和操纵信息来分析它们。量子信息理论已经导致了物质新相的发现，由斯蒂芬·霍金提出的黑洞信息悖论的进展，以及涵盖小型、量子和信息处理系统的热力学定律的重新定制。

量子计算目前有哪些挑战？

量子系统是优雅的和容易分心的。如果任何杂散粒子靠近量子一台计算机 ------即使计算机所在的桌子振动------计算机变得“分心的”并“忘记”它应该存储的信息，在计算中引入一个错误。长时间保持计算机的所有组件集中是当今面临的最大挑战。为了满足这一挑战，实验学家和工程师正在开始使用理论家在过去几十年中已经开发的量子纠错代码。

如果你能解决物理学中的一个问题，那会是什么？

测量问题------上面提到的令人着迷的量子悖论之一。一个量子系统有一个杰基尔和海德式的个性：当它没有被测量时它的行为是一种方式，当它被测量时它是完全不同的。我们怎样能调和这两张面孔？已经提出了许多解决方案，它们有它们的支持者，但它们也有挑战。

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