诺奖得主 Wilczek ：量子奇普

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诺奖得主 Wilczek ：量子奇普

撰文 | Frank Wilczek

翻译 | 胡风、梁丁当


古印加人用来结绳记事的奇普，为现代物理学和量子计算提供了一个令人惊讶的模型。

存储复杂信息的方式有很多。在现代技术中，主要有三种方式：人类的语言文字、计算机的二进制代码以及遗传学的 DNA 和 RNA 序列。然而，还有一种美丽又古老的存储和处理信息的方法，它不仅集合了这三种方式的元素，还添加了一些独特的东西：拓扑学，一门关于稳定的形状与结构的科学。

奇普 (qiupu) 的意思是“结”。诞生于安第斯山脉中的古印加文明曾用奇普来记录信息。形式略微不同的结也曾盛行在中国和日本。在秘鲁的一些偏远村庄中，至今仍在使用奇普，成为了一种文化遗产。对大多数人来说，它不过是件稀奇的民俗文物。但对一些物理学家来说，它正在成为一种创造力的灵感来源。

奇普文的“字母”是用绳编成的结。通常一个奇普有一根主绳，上面系着很多副绳，在副绳上结着几种不同样式的结。结的排列顺序和间距代表了不同的含义，而绳索的颜色也用来指代不同的范畴。比如，蓝绳上的两个结可能代表“战士”和“羔羊”，而红绳上的两个同样的绳结则代表“1000”和“10”。这和分化细胞在 DNA 的 4 个碱基上表达表观遗传变异可谓异曲同工。

奇普文字有很多优点。它不需要纸。与其他方式的符号相比，这些绳结不易被弄脏、抹除或者错误复制，并且轻便易携。

传统奇普中的每根绳都是独立的（虽然它们的顺序是确定的）。它们可以互相缠绕，形成辫子。辫子的拓扑结构——即一条绳是从另一根绳的上方或是下方穿过——可以产生丰富的代码。结的间隔则可以代表空，或者说零。一位哈佛大学的人类学家认为，印加人使用奇普进行二进制编码，比计算机早了几个世纪。

最近，一种奇异的新奇普——量子奇普——经常成为物理前沿的头条新闻。为了说明什么是量子奇普，我必须先解释构成它们的奇异的绳子——这不是古印加人用的绳子。

几十年来，物理学家一直用“世界线”这个概念来形象地描述粒子的运动。为了简单起见，我们假设粒子在一个水平面上移动，而用垂直这个水平面的纵轴来标记时间。于是，粒子在不同时间的运动轨迹形成了一条上升的曲线，即它的世界线。当同时有几个粒子时，它们的世界线可以打结，或者更准确地说，它们可以编成辫子。有一种被称为任意子的粒子，它们的量子行为记录下了由其世界线形成的辫子。任意子的世界线形成了一个量子奇普。

任意子这个名字是我在 40 年前提出的，取自“一切都会发生”的含义。当时我还预言了任意子的一些关键属性。两年前，两个实验团队各自在实验中证明了任意子的存在。在这些开创性实验中实现的量子奇普还比较简单，存不了太多信息。但上个月，微软的研究人员宣布实现了功能更强的任意子。在此基础上，有可能构造出令人印象深刻的量子奇普。

这个量子奇普中的辫子有几个优点：当引入更多的线并将其拉长时，存储的信息会指数式增加，即使受到外界扰动，它们的基本结构也能保持不变——因为其拓扑结构没变。跟随着古印加文明赋予的灵感指引，我们有可能制造出一台拓扑量子计算机，它可以挑战对其他计算机来说甚是棘手的计算。

Frank Wilczek


弗兰克·维尔切克是麻省理工学院物理学教授、量子色动力学的奠基人之一。因发现了量子色动力学的渐近自由现象，他在 2004 年获得了诺贝尔物理学奖。

本文转载自微信公众号“蔻享学术”。