他從未上過量子計算課程，卻寫了一本量子計算科普書

諾獎得主、知名物理學家玻爾曾說過：“誰要是第一次聽到量子力學時沒有感到困惑，那他一定沒聽懂。”提到量子力學，不論正在學習中的學生，還是有所掌握的老師，抑或只是對量子科技感興趣的普通讀者，在（自）學量子力學的過程中都或多或少有過犯難的時刻。

量子力學為何如此艱深難懂？學習以此為基礎的量子計算有可能成為一件快樂的事嗎？帶著這些問題，我們采訪了《量子計算的樂趣》（The Joy of Quantum Computing）的作者 Jed Brody。這本由普林斯頓大學出版社出版的量子計算科普書籍，以及作者對于量子物理相關概念的獨特講述方式，或許能解決你的一些困惑。

Jed Brody：我大學主修物理，畢業后的兩年在西非貝寧共和國教授物理和化學。我喜歡用蠟燭、汽水瓶這些當地隨手可得的材料做科學演示。離開貝寧后，我進入佐治亞理工學院讀研究生，做太陽能發電方面的研究。這段研究經歷讓我倍感受挫——我并不擅長制作太陽能電池。我清楚自己熱愛教學，于是申請了教職，至今已在埃默里大學擔任教學教授二十三年。

▲Jed Brody，埃默里大學教學教授。

剛到埃默里大學時，我并沒有發表論文的打算。但我發現自己喜歡設計低成本的教學實驗，便把成果寫成文章投給教育類期刊。最近，我了解到了免費、可遠程訪問的量子處理器，例如由IBM Quantum和Quantum Inspire提供的那些量子處理器（我對IBM Quantum更熟悉一些，但Quantum Inspire在全球范圍內更普及）。目前很多量子計算的文獻，要么預設讀者擁有高等數學背景，要么走向另一個極端，專門寫給完全不想看任何數學的人。我試圖在兩者之間找到一條中間道路，為那些不介意有一點數學的初學者編寫教學材料。

▲Jed Brody的演示實驗設備。

對新書中量子力學的認識

墨子沙龍：您在《The Joy of Quantum Computing》這本書中沒有使用“Alice和Bob”這對經典的物理學家假想角色，而是使用了荷馬史詩里面的經典形象，您為什么會選擇如此打破常規的設定呢？

Jed Brody：由于我從未上過量子計算課程，只能靠自學。這個過程就像一場史詩般的旅程和一次艱辛的求索。那些新概念仿佛來自異世界。量子比特橫跨陌生的疊加世界和熟悉的二進制世界，恰似神話中的英雄同時游走于魔法世界與俗世生活之間。

墨子沙龍：有些人認為量子力學必須依賴復雜的數學，也有些人覺得即使是量子力學科普也不應該包含公式推導內容，您在新書中，卻選擇了第三條路：不回避公式，而是用相對簡單的算術讓讀者理解其中的矛盾。您選擇這種科普方式，是否有什么特殊的理由？

Jed Brody：沒錯！完全可以用純概念、非數學的方式來講解量子話題。但歸根結底，數學是物理學和技術的語言，如果完全避開，某些精妙之處就會在轉述中丟失。物理學的魅力之一就在于，高中水平的數學就足以揭示許多隱藏的自然法則。對我個人而言，學習物理是一種與宇宙的深度交流，而數學則是通往宇宙深處的門戶。有些讀者不想碰任何數學，這完全沒問題。但我對標的讀者是那些希望看到自己基礎的數學水平也能展現神奇應用的人群。

▲Jed Brody 的《The Joy of Quantum Computing》一書封面（普林斯頓大學出版社 Princeton University Press, 2025.07）

墨子沙龍：如果讓您為自己這本《The Joy of Quantum Computing》做個自我評價，您最想強調什么？您希望通過這本書向讀者傳遞哪些想法？

Jed Brody：《量子計算的樂趣》這本書中只用到高中代數的知識，以具體、量化的實例講解了量子計算中最著名的算法和應用，包括量子隱形傳態、格羅弗搜索算法和肖爾因數分解算法。我希望讀者在看懂量子電路圖這些“象形文字”時，能為自己感到驚喜。同時，我也希望能傳達出量子信息科學中技術與哲學相互交融所帶來的那份敬畏與驚嘆。

對量子力學科普的理解

墨子沙龍：作為一名量子科普作家，您認為量子物理領域的科普與其他領域最大的差別是什么？

Jed Brody：量子物理常常給人一種神秘莫測、甚至帶有玄學色彩的印象。一些頂尖物理學家提出的觀點聽起來頗為超自然，比如多重宇宙的存在。如果我們過度強調這些神秘的一面，就會給人造成一種印象，仿佛量子物理全是關于形而上學的玄思。但另一方面，量子物理中確實存在著一些嚴謹而真實的謎團，我們也不該輕描淡寫，因為這些謎團也是量子物理魅力的一部分。

墨子沙龍：我們發現，您不僅是一位物理學家，還寫過科幻小說（如The Philodendrist Heresy），您還曾在《今日物理（Physics Today）》雜志上發表過相關文章。在您看來，科幻創作和量子力學科普之間是否存在某種相輔相成的關系？

Jed Brody：沒錯！我批改過很多實驗報告。不少學生以為科學寫作就應該復雜晦澀、讓人看不懂。但真正好的科學寫作，恰恰是清晰而簡潔的。優秀的科幻作品也同樣清晰簡潔，沒有刻意堆砌的隱喻，也沒有過度渲染的詩意。正是科學寫作教會了我用簡單直接的方式去寫科幻小說，而不是去模仿莎士比亞的文風。

墨子沙龍：您如今的研究領域更加專注于教學實驗方面，在您嘗試用簡單的教學實驗來闡釋復雜的物理學原理的過程中，是否曾經遭遇過什么挑戰，或者是否曾有一些有趣的小故事，可以與我們分享呢？

Jed Brody：有一次，我設計了一個低成本實驗，用一根一端密封的長塑料管（1.5到2米長）。我先在管里裝一些水，然后倒扣進水桶里（如左圖所示）。如果快速上下移動管子再固定住，管內的水就會先振蕩一陣，最后逐漸平靜。我當時在研究振蕩頻率與管子中水量多少的關系。右圖顯示了三種不同管長下，頻率隨充水率的變化（左端為0%，右端為100%）。

實驗前，我并不知道結果會怎樣。我讓學生一邊采集數據，我一邊推導理論公式。學生最初只采集了曲線右半部分的數據：隨著充水率降低（向左移動），頻率一直下降。我本以為這個趨勢會持續下去。但當我完成公式推導后，卻發現當充水率小于0.5時，頻率應該會重新上升。我當時甚至不相信自己的方程式！不過隨后，我的學生采集了曲線左側的數據，果然，隨著充水率變得更小，頻率又回升了。

要理解這個現象，我們可以這樣想：當管子幾乎空的時候，里面的水就像一個很輕的物體掛在彈簧上——由于很容易改變它的運動方向，所以振蕩得很快；而當管子幾乎裝滿時，里面的水則像連在一根非常硬的彈簧上的重物，因為管內少量被困住的空氣在被壓縮和膨脹時會產生很強的阻力。

▲演示實驗設計與實驗數據記錄。

墨子沙龍：對于墨子沙龍的觀眾——他們既包括專業的科研人員，也包括對科學充滿好奇的青少年——您有沒有什么建議，或想對他們說的話？

Jed Brody：我想對年輕人說，你們可能會以為教授和作者們一直都學得又快又輕松，從來都是班上的佼佼者。但其實我們很多人都曾艱難地學習，甚至想過放棄。我讀研究生時上了第一門量子力學課，盡管每次考試前我都花了十多個小時復習，但每一次測試成績都低于平均分。所以，請不要輕言放棄！

▲Jed Brody與長城的合影。