我們總是抱有懷疑這個(gè)世界到底是什么。如果人類發(fā)現(xiàn)不了黑洞，探測(cè)不到基本粒子，那我們可能就不會(huì)想得太多。但現(xiàn)在已經(jīng)晚了。人類自從打開量子世界的大門， 發(fā)現(xiàn)它和宏觀世界截然不同。如果說宏觀世界是 1 加 1 等于2，那量子世界就是 2 等于 1 加1。
這期我們聊聊量子世界。不知道你有沒有發(fā)現(xiàn)生活的樂趣其實(shí)在于戰(zhàn)隊(duì)，有的人喜歡狗，有的人喜歡貓，有的人喜歡外星人。不管這些人有沒有自己的圈子，在生命立場(chǎng)的時(shí)候，他們都會(huì)毫不猶豫地站隊(duì)，看對(duì)方也跟看那啥一樣。其實(shí)不光是人，動(dòng)物也一樣。如果你仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)狗也有朋友，他們也會(huì)站隊(duì)，每天待在一起的一只就那么幾只，不信的話你可以留意一下，這其實(shí)挺有意思的，以后我們也可以研究下狗的社會(huì)關(guān)系。
為什么說到站隊(duì)，早期研究光的人就可以分為兩個(gè)陣營，最先流行起來的是波動(dòng)派?；莞棺钕日J(rèn)為光就是波光，光的干涉現(xiàn)象就是最直觀的證明兩束光交叉就會(huì)產(chǎn)生干涉條紋。但有一個(gè)疑問，繪根斯一直沒有解決，就是光的衍生問題。光在經(jīng)過小孔時(shí)就會(huì)偏離直線傳播，他一直很苦惱，并且一直解釋不了。后來牛頓也對(duì)這事開始感興趣，他認(rèn)為光既然都是直線傳播，并且遇到障礙物還會(huì)反射，這和經(jīng)典力學(xué)扔石頭沒有區(qū)別。光一定是粒子。然后他就提出了光的威力，說力挺光是粒子。牛頓在當(dāng)時(shí)物理學(xué)界，那就是信仰他說什么別人就信什么？以牛頓為首的粒子派開始流行，但是粒子派不能解釋光的折射。
雖然很多人認(rèn)為是以派的作怪，但也只是猜想，實(shí)驗(yàn)證明不了。后來托馬斯巖無意間發(fā)現(xiàn)光照過兩條縫隙時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非常明顯的干涉現(xiàn)象。這可是親眼所見。如果光是例子，按道理穿過兩條縫隙，那肯定會(huì)形成兩數(shù)波動(dòng)，派復(fù)古成功取締弟子派成為主流，這其實(shí)是一件大事。牛頓的理論竟然有人撼動(dòng)了。但是光的故事一言波折，后來光鏈相應(yīng)被發(fā)現(xiàn)，就是光撞擊物體會(huì)變成電子光，好像又是一連串的粒子組成，粒子派又開始占據(jù)上風(fēng)。兩個(gè)學(xué)派之下都有自己能拿得出手的證據(jù)，爭(zhēng)執(zhí)就從來沒有停過，誰也不服誰，誰都有自洽的一套，不可能輕易改變信仰。其實(shí)后來已經(jīng)有人想到了，光會(huì)不會(huì)既是波又是例子，這個(gè)想法很大膽也很危險(xiǎn)，但還是得做實(shí)驗(yàn)論證。從 1909 年開始，就有人在做這個(gè)非常直觀的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，直到現(xiàn)在科學(xué)家也在不斷嘗試這個(gè)實(shí)驗(yàn)，但結(jié)果都是一樣，一臉懵逼。
雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)原理很簡(jiǎn)單，就是利用光源照射兩個(gè)平行的瑕縫，然后觀察后面屏幕上出現(xiàn)的光點(diǎn)。按道理來說，這個(gè)實(shí)驗(yàn)只會(huì)有兩種可能。第一種，光是離子，那么背后的屏幕上就會(huì)出現(xiàn)兩條杠。這個(gè)很好理解，光子被發(fā)射出去，要么從左邊縫隙過，要么從右邊縫隙過，發(fā)射足夠多的光子之后，背后的屏幕一定會(huì)出現(xiàn)兩條杠。第二種，光是波，那么屏幕上就會(huì)出現(xiàn)干涉條紋，這個(gè)也很好理解，你可以把光波想象成水波波紋，在經(jīng)過兩道縫隙時(shí)會(huì)形成兩個(gè)新的波紋，然后兩個(gè)波紋交融在一起，最終打到屏幕上就會(huì)形成有亮部和暗部的斑馬紋，相交的部分更亮一些，不相交的部分暗一些。
好了，理論咱們有了，開始實(shí)驗(yàn)！剛開始官員是連發(fā)模式，對(duì)著雙縫就是一陣突突。一段時(shí)間后，屏幕上出現(xiàn)了非常明顯的斑馬云，無可厚非波登牌勝利。但是呢粒子牌不符，光子明明是一顆顆射出去的，你怎么可以連發(fā)呢？那么好，官員啟動(dòng)單發(fā)模式，保證一次就發(fā)射一個(gè)光子，然后對(duì)著雙縫又是一幀突。
剛開始屏幕上是一個(gè)個(gè)小點(diǎn)，但是慢慢的屏幕上又成了斑馬紋，還是波騰派預(yù)想的干涉條文波騰派再次勝利。實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來了，兩個(gè)學(xué)派都有臉懵。按理說單個(gè)光子要么穿過左邊縫，要么穿個(gè)右邊縫，不可能會(huì)形成干涉，屏幕上只會(huì)出現(xiàn)兩條杠，難道光子在穿縫之前分戴成了兩個(gè)？抱著這個(gè)疑問繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)。這次在雙縫后面加上攝像機(jī)，到底看看光子穿過來哪條縫，結(jié)果是每次光子只會(huì)成為一條縫，和想象的一樣，光是粒子。
但是在加了攝像機(jī)之后，奇怪的事情發(fā)生了，背后的屏幕上不再形成干涉條紋，也就是不加攝像機(jī)時(shí)，光表現(xiàn)出了波的性質(zhì)，出現(xiàn)干涉條紋。但是加了攝像機(jī)光就表現(xiàn)出了粒子的性質(zhì)，不出現(xiàn)干涉條紋。這種現(xiàn)象有個(gè)名字叫做量子擦除，大概意思就是當(dāng)你得知量子路徑時(shí)，它就不產(chǎn)生干涉條文。當(dāng)你不知道量子路徑時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生干銷條文到這里，別說你想不通，我也想不通，愛因斯坦也想不通。別看愛因斯坦的理論各種玄乎，時(shí)間可以不一樣，慌速永遠(yuǎn)恒定。但他堅(jiān)信我們這個(gè)世界就是客觀世界。
客觀世界怎么定義呢？不管你去不去觀察，這個(gè)世界都是存在的。不可能說你出門了，那你的房子就不在了，你回家了房子就變出來了。你究竟有沒有房子跟你回不回家有關(guān)系？還有個(gè)比喻也挺有意思。一場(chǎng)球賽球員能不能進(jìn)球和很多因素有關(guān)， 要么是今天發(fā)型沒做好， 影響了心情，要么是 7 天沒吃飽，力氣沒過，唯獨(dú)不會(huì)和你有沒有坐在電視機(jī)面前有關(guān)系。不可能說你看電視了，球就進(jìn)了，你沒看電視球就沒進(jìn)，這怎么想都有點(diǎn)不可思議。但其實(shí)有一個(gè)世界跟量子世界很像，也比較有意思。就是游戲程序員在編寫游戲代碼時(shí)，往往會(huì)為了節(jié)省電腦的運(yùn)算量，游戲人物到哪里資源才刷新，你如果不出現(xiàn)，那里肯定沒東西，而且那里面有沒有東西會(huì)出現(xiàn)什么都是注定好了的。這就和你在游戲中抽獎(jiǎng)是一個(gè)道理。你以為抽獎(jiǎng)的希望在于那個(gè)轉(zhuǎn)盤，其實(shí)轉(zhuǎn)盤只是走個(gè)過程，按照程序設(shè)定，你抽獎(jiǎng)之前就已經(jīng)決定了你會(huì)不會(huì)中這次獎(jiǎng)了。
游戲世界和量子世界相似的地方有很多，我們以后可以專門出一期，這還挺有意思。S 雖然挺懷疑，但他也做了不少貢獻(xiàn)。他也因?yàn)樵诠怆娦?yīng)的研究獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。經(jīng)過他的解釋，很多人才意識(shí)到可能光有的時(shí)候是波，有的時(shí)候是粒子。量子力學(xué)有個(gè)大神級(jí)的人物。這個(gè)人年輕時(shí)就喜歡在踢球時(shí)思考物理題，幸好自己是守門員，還能有時(shí)間去發(fā)呆。他就是尼爾斯布爾，后來和海森堡等人一同提出了哥本哈根全釋來解釋量子力學(xué)大概就是這么幾個(gè)基本原則，1、量子力學(xué)本質(zhì)上就是不確定的，你不能用宏觀的概念去闡述它。
二、對(duì)應(yīng)原理，大尺度的宏觀量子行為應(yīng)該是接近經(jīng)典物理行為。三、撥人定責(zé)，量子系統(tǒng)的描述是概率性的，也就是測(cè)準(zhǔn)。四互補(bǔ)性，粒子的某些性質(zhì)同時(shí)只能確定展現(xiàn)一個(gè)不能同時(shí)展現(xiàn)出兩種行為。比如波或者粒子并不是波和粒子。哥本哈根學(xué)派堅(jiān)持認(rèn)為量子力學(xué)的研究你就不能用經(jīng)典物理學(xué)來解釋，這本來就是兩個(gè)不同的世界，即使宏觀世界看上去是絕對(duì)論，但到了量子世界，它就是不確定的。但愛因斯坦不這么想，他就堅(jiān)持認(rèn)為客觀世界就是客觀世界，只要是客觀世界，就一定遵循決定論。愛因斯坦和布爾的爭(zhēng)論經(jīng)常發(fā)生，而那句上帝不會(huì)擲色子，就是跟布爾爭(zhēng)論時(shí)候說出來的。而著名的薛老師的貓也是薛老師拿來惡心哥們坑學(xué)派的。既然你們說宏觀世界和量子世界不一樣，那薛老師的貓其實(shí)就鉆了這個(gè)牛角尖。貓是宏觀世界的，貓既能滿足既死又活的狀態(tài)嗎？顯然不能。
在這段時(shí)間里，愛因斯坦也聯(lián)合了很多物理學(xué)家提出了一系列的思想實(shí)驗(yàn)，惡心布爾，而布爾也確實(shí)被惡心到了，直到自己去世，還一直想著怎么惡心回去。愛因斯坦研究量子力學(xué)其實(shí)也挺懵逼的。 35 歲自己就成名了，之后的時(shí)間里卻因?yàn)樯系蹠?huì)不會(huì)擲色子的問題，一直很郁悶。不過安雨傘還是堅(jiān)持自己的決定論，如果說到底是什么原因讓量子有不確定的這種屬性，一定是存在什么隱藏的變量。但直到離世，兩位大佬都沒能看見各自的信仰被證實(shí)。
量子事業(yè)有個(gè)非常讓人難以理解的現(xiàn)象，量子糾纏就是你將一對(duì)例子分開之后，不管把它們分到哪去，分開多遠(yuǎn)觀測(cè)其中一個(gè)例子，發(fā)現(xiàn)它的自旋向上那么另外一個(gè)例子必然自旋向下，這里的自旋大家要知道它并非真的在旋轉(zhuǎn)而是一種自帶的物理屬性。怎么理解量子糾纏呢？就相當(dāng)于一雙鞋子分成兩只，分別送給小白和小黑。小黑如果打開盒子發(fā)現(xiàn)鞋子是左腳，那么小白打開盒子發(fā)現(xiàn)鞋子一定是右腳。那可能有同學(xué)說了，你這不是廢話嗎？對(duì)，確實(shí)沒有什么問題。但是如果我告訴你，鞋子的左右腳不是事先分好的，在沒有被寬側(cè)之前分開的兩只鞋子既是左腳又是右腳，而是必須經(jīng)過觀測(cè)才能確定兩個(gè)鞋子的狀態(tài)，其中一個(gè)是左腳，那么另外一個(gè)必須是右腳。
這雙鞋子不管你們把它們分開多遠(yuǎn)，它們其中一個(gè)被打開，一定會(huì)影響到另外一只鞋子。它們之間的信息傳輸可以說是 5000 塊，也可以說是同時(shí)發(fā)生按照量子力學(xué)的解釋，這個(gè)就很難受了。一雙鞋子被分開，它只能是左腳和右腳，為什么它還能處在既左右右的疊加態(tài)呢？誒量子力學(xué)就是這么不講道理，你收到鞋子是左腳還是右腳，一定要看了才知道。
這里有個(gè)關(guān)鍵的東西，觀察者看了這個(gè)鞋子才會(huì)坍縮，變成可以實(shí)測(cè)的本正態(tài)。但現(xiàn)實(shí)世界是什么？兩只鞋子被打開后一定是不同的，并不存在相互影響，因?yàn)檫@肯定是提前確定好的。愛因斯坦也是這么覺得，難道我不觀察這個(gè)東西就不存在了嗎？怎么可能？愛因斯坦認(rèn)為電子的超局相互作用就是胡扯，沒有東西可以違背局域性原理。
局域性原理就是一個(gè)地方發(fā)生的事件，不可能立刻影響到另外一個(gè)地方。關(guān)鍵是狹義相對(duì)論，說任何物質(zhì)和信息的傳播速度的上限就是光速。如果量子力學(xué)對(duì)了，那愛因斯坦就站不住腳了。所以愛因斯坦認(rèn)為鞋子在分配之前就已經(jīng)確定好了的，這是一個(gè)完全決定性的原理。至于這兩只鞋子是誰分配的那個(gè)人肯定躲得起來。而這個(gè)躲了起來的人就是愛因斯坦認(rèn)為的一定存在的隱變量。但是量子力學(xué)之所以能走到今天，必然有拿得出手的證據(jù)。不過想做量子糾纏的實(shí)驗(yàn)沒那么簡(jiǎn)單。兩個(gè)量子的狀態(tài)，不管你先看哪個(gè)，都會(huì)看到一個(gè)確定的狀態(tài)。而另外一個(gè)必然是相反的狀態(tài)，這個(gè)幾乎沒有辦法完成實(shí)驗(yàn)，需要觀察者介入。那確定其中一個(gè)必然另外一個(gè)就是相反的，不管是經(jīng)典力學(xué)還是量子力學(xué)，都滿足這一點(diǎn)，那怎么辦呢？后來有個(gè)關(guān)鍵的人出現(xiàn)了，這個(gè)人就是約翰貝爾。貝爾上大學(xué)的期間就喜歡研究量子力學(xué)。他看了愛因斯坦和布爾兩個(gè)人關(guān)于量子力學(xué)的論文，覺得愛因斯坦比布爾聰明多了。貝爾也近視，認(rèn)為上帝是不可能治色子的。
反觀布爾的觀點(diǎn)，總感覺他有點(diǎn)像搞哲學(xué)的，并不是搞科學(xué)的這樣。貝爾一直覺得量子力學(xué)的理論一定是不對(duì)的，S還只是認(rèn)為量子力學(xué)的理論是不完善?？赡艽嬖谑裁?？隱變量，人力還沒發(fā)現(xiàn)而已。而貝爾的觀點(diǎn)更為激進(jìn)，量子力學(xué)可能完全就是錯(cuò)的。他在研究已變量的過程中得出了一個(gè)結(jié)論，對(duì)于已變量理論，如果它滿足局域性，那它就不可能滿足量子力學(xué)。如果它滿足量子力學(xué)，它就一定不可能是局域性的。 1964 年，貝爾將這個(gè)結(jié)論放進(jìn)了它的論文中，并且還提出了著名的。貝爾不等式的推導(dǎo)過程比較硬核，所以咱們就不展開了。貝爾不等式的最重要的前提就是局域時(shí)代性，也就是隱面量需要滿足局域時(shí)代性原理。從理論上推導(dǎo)經(jīng)典力學(xué)滿足貝爾不等式，但量子力學(xué)不一定滿足貝爾不等式。理論上來說，已變量在量子力學(xué)中已經(jīng)被推翻了。貝爾親自用理論證明了自己的信仰是錯(cuò)的。其實(shí)貝爾自己也比較虛他覺得可能是哪里出錯(cuò)了。但他最大的貢獻(xiàn)就是讓量子糾纏可以通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證了，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)比較硬核，也比較復(fù)雜，咱們就不展開講了。但諸多實(shí)驗(yàn)都證明了哥本甘學(xué)派是對(duì)的，以面量不存在電子糾纏，具有超巨作用。一開始分鞋子的時(shí)候就沒有確定因素在而被分開的兩只鞋子，它就既是左腳又是右腳。如果說有什么實(shí)驗(yàn)可以證明，也更直觀幽靈純像實(shí)驗(yàn)其實(shí)可以。
原理很簡(jiǎn)單，光源發(fā)射出重兌的光子，一組光子總有模板的方向，另一組總沒有模板的方向。然后神奇的現(xiàn)象發(fā)生了，另一組不穿過模板的光子，顯示出了那組穿過模板的圖像。仔細(xì)想一想，這個(gè)實(shí)驗(yàn)十分直觀，光子不可能在穿過模板的時(shí)候再返回回來，穿到另外一組反射圖像。沒有模板的那組光呈現(xiàn)的圖案可以說同時(shí)顯示出來的。這其實(shí)就是我們開頭想說的。
2 等于 1 加1，其實(shí)這里也沒有先后的過程，只是因和果同時(shí)發(fā)生了。這個(gè)在我們現(xiàn)實(shí)生活中很難想象，宏觀世界中我們都習(xí)慣了先有因再有果的順序我做的這個(gè)視頻是因你看到這個(gè)視頻是果。按照量子力學(xué)的解釋，因和果同時(shí)發(fā)生了。我在做這個(gè)視頻的時(shí)候，你也在看這個(gè)視頻，可能很多同學(xué)到這里有點(diǎn)懵，我其實(shí)也挺懵的。
貝爾在之后的時(shí)間里也一直很懵，經(jīng)過冥思苦想，他給出了一個(gè)讓大家也很懵的解釋終極決定論。他認(rèn)為這個(gè)世界宇宙的所有規(guī)律都是決定好的，每一步都是絕對(duì)精確的?？陀^世界下的運(yùn)動(dòng)都是安排好的，我們做的每一步也都是提前確定好的，甚至人的自由意志也不是自由的，也都是確定好了的，不會(huì)被改變。
貝爾本來的貢獻(xiàn)是把量子力學(xué)從哲學(xué)那里給拉了出來，讓它能被物理實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證之后，卻用畢生的精力又把量子力學(xué)給推回到了這些事件。愛因斯坦的絕對(duì)論其實(shí)和他的差別還是很大的。愛因斯坦認(rèn)為所有的事情都會(huì)被人的認(rèn)知舉止決定和行為影響，一件事情的發(fā)生必然有期所有因素匯集而成。人的自由意志其實(shí)是決定論的一個(gè)觀念所在，但也只是世界會(huì)不會(huì)發(fā)生的一個(gè)因素罷了。但到了貝爾這里沒有辦法了，只能用終極決定論來解釋了。埃斯?fàn)柸绻雷约哄e(cuò)了，會(huì)不會(huì)也相信貝爾這一套？之前聽過一句話，如果你自認(rèn)為懂了量子力學(xué)，那你肯定沒懂。如果你鉆研了量子力學(xué)，覺得還是沒懂那么恭喜你，你可能入門了。到這里你是懂了還是沒懂呢？我 11 號(hào)帶你探索宇宙。
量子世界有多大？
奧地利和瑞士科學(xué)家已經(jīng)成功地將只有100到140納米寬的納米粒子冷凍，讓它們幾乎完全進(jìn)入最低能量的量子狀態(tài)，使它們的溫度僅比絕對(duì)零度高出幾百萬分之一度，并且可以精確的測(cè)量它們的空間位置。
一直以來，研究人員一直在穩(wěn)步增加粒子的大小，從原子到小分子，然后是大分子……他們希望得到表現(xiàn)出量子效應(yīng)的粒子能持續(xù)到何種尺寸。
宏觀狀態(tài)下，每個(gè)物體都有自己的位置，我們可以通過坐標(biāo)系統(tǒng)精確地確定一個(gè)物體的空間位置。
當(dāng)進(jìn)入微觀世界，物質(zhì)達(dá)到量子級(jí)別，重力不再起作用，粒子將進(jìn)入一個(gè)所謂的量子疊加狀態(tài)——在測(cè)量它們之前，不可能說它們就在它們的位置，它可以在這里，可以在那里，也可以在別的地方。
但是當(dāng)粒子與周圍環(huán)境相互作用時(shí)，這種量子效應(yīng)往往很容易受到干擾，因此，隨著物體變大并經(jīng)歷更多的相互作用，建立疊加狀態(tài)會(huì)變得困難，這些相互作用幾乎瞬間疊加-坍塌。
量子疊加效應(yīng)的消失是由于粒子的大小限制？還是因?yàn)榱孔有袨榕c重力不相容（原子和分子可以忽略不小）？
這些問題在量子理論的百年歷史中一直存在的問題。
另一個(gè)與精確測(cè)量粒子的空間位置相反的想法是，對(duì)于疊加態(tài)的粒子，根本就沒有明確的答案——"位置"的屬性定義不明確。當(dāng)我們看粒子時(shí)，我們?cè)趺粗懒Ｗ邮窃诏B加之前的粒子，還是現(xiàn)在的粒子？
所以，我們不需要精確知道粒子的位置，我們只要知道它們?cè)诳臻g出現(xiàn)的概率即可，就像波一樣，而且可以用波函數(shù)數(shù)學(xué)公式來描述。
當(dāng)粒子穿過屏幕上兩個(gè)狹小的隔縫時(shí)，量子干擾最為明顯。如果我們關(guān)注粒子到底穿過哪個(gè)縫隙，那么粒子的行為將很像水波，其波功能將同時(shí)通過兩個(gè)縫隙傳播，從而形成雙峰干涉。但是，如果我們?cè)诳p隙放置一個(gè)測(cè)量裝置來告訴我們每個(gè)粒子是否通過它，觀察粒子的路徑，那么干擾模式就會(huì)消失
那么物體尺寸多大時(shí)，還能同時(shí)表現(xiàn)出波和粒子的性質(zhì)（簡(jiǎn)稱波粒二象性）？
從理論上講，任何大小物質(zhì)都能表現(xiàn)出波動(dòng)性和粒子性，但是隨著物種尺寸的增大，物質(zhì)的波動(dòng)性不明顯。
1999年，維也納大學(xué)的量子物理學(xué)家安東·澤林格用碳60進(jìn)行了雙縫實(shí)驗(yàn)研究這個(gè)問題，他們發(fā)現(xiàn)一個(gè)清晰的干擾模式，證明即使是像C60這樣0.7納米的分子可以進(jìn)行干涉試驗(yàn)。
2011年，量子物理學(xué)家馬庫斯·阿恩特和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)碳基有機(jī)分子進(jìn)行干涉試驗(yàn)，每個(gè)原子最多430個(gè)原子，直徑高達(dá)6納米。2019年，他們用大約2000個(gè)原子的分子做到了這一點(diǎn)。2020年，他們用生物分子（一種叫做克麥地那A1的天然肽）進(jìn)行了干涉實(shí)驗(yàn)。他們的目標(biāo)是每年或兩年將粒子的質(zhì)量增加10倍，最后用生物進(jìn)行干涉試驗(yàn)，探索量子干涉的極限。
馬庫斯·阿恩特實(shí)驗(yàn)室干涉儀的高真空室
現(xiàn)在，量子力學(xué)似乎與現(xiàn)代重力理論（愛因斯坦的廣義相對(duì)論）不相容。量子世界是離散的和粒子性的，而相對(duì)論則把時(shí)空描述為平滑和連續(xù)。通常情況下，這種不和諧可以忽略，因?yàn)榱孔恿W(xué)描述尺度非常小的微觀世界，而廣義相對(duì)論描述大宇宙天體。如何將極小和極大聯(lián)系在一起，這是物理學(xué)界的一座圣杯，包括霍金在內(nèi)的幾代物理學(xué)家已經(jīng)為之傾盡畢生心血。
英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯認(rèn)為，在中尺度上，當(dāng)量子理論與廣義相對(duì)論相沖突時(shí)，后者將獲勝，破壞量子效應(yīng)。在廣義相對(duì)論下，任何具有顯著引力場(chǎng)的物體都會(huì)扭曲時(shí)空。但是，處于疊加狀態(tài)的物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)疊加的時(shí)空，這是廣義相對(duì)論不允許的情況，在此種情況下，重力將作出選擇，只能保留一種情況。那么在此種情況下，可以監(jiān)測(cè)到粒子重力，產(chǎn)生疊加的粒子重力也在發(fā)揮作用。
換句話說，將量子尺度擴(kuò)展到重力起作用的大小，并在波函數(shù)坍縮之間觀測(cè)到它們，那將是對(duì)量子力學(xué)本質(zhì)的巨大發(fā)現(xiàn)。
深度長文：量子到底是什么？解讀量子世界以及量子的實(shí)際應(yīng)用！
最近量子這個(gè)詞非?；?，像前些年的納米這個(gè)詞一樣，被廣泛應(yīng)用在各類產(chǎn)品里，像什么“量子波動(dòng)速讀”，這種方法是從日本漂洋過海來的，號(hào)稱孩子用此法可在5分鐘內(nèi)看完一本10萬字的書籍，并能把內(nèi)容完整復(fù)述閉著眼也能和書發(fā)生感應(yīng)。宣稱是利用了光的波粒二象性和量子糾纏原理其具體的解釋為：
利用量子糾纏，產(chǎn)生波粒二象性，讓大腦和書本發(fā)生感應(yīng)，改變?nèi)祟愰喿x的反應(yīng)過程，由“看、讀、理解”簡(jiǎn)化為“看、理解”，經(jīng)培訓(xùn)后可達(dá)到“書中文字快速成像、光波飛入電影回放、一目十行過目不忘”的效果，甚至還可以閉著眼睛，直接翻書，根本不用看就能和書本發(fā)生感應(yīng)，知道書中內(nèi)容和作者所要表達(dá)的意思。
比“量子波動(dòng)速度”更扯的是“量子接骨”，打出了“通過量子干預(yù)技術(shù)，異地就能把骨折治好……”這樣的口號(hào)，還號(hào)稱可以只需提供一塊土地的航拍圖，確定土地位置，便可通過“量子干預(yù)”，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，“改良后的農(nóng)產(chǎn)品無公害，還品質(zhì)高，相當(dāng)牛。”
這家騙子公司大家要警惕
這些年，很多營銷人士為了忽悠用戶，都拿出那些非常專業(yè)的名詞移花接木到產(chǎn)品之上，給人一種非常專業(yè)、權(quán)威的感覺，比如前些年的納米汗蒸之類的。這些其實(shí)只要細(xì)想就漏洞百出的影響概念，但還是有人前赴后繼上當(dāng)。
那么量子究竟是什么呢？它究竟有什么作用呢？今天我們就來詳細(xì)了解一下！
量子究竟是什么
量子（quantum）是現(xiàn)代物理的重要概念。即一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。
1900 年，普朗克首次提出量子概念，用來解決困惑物理界的“紫外災(zāi)難”問題。
紫外災(zāi)難：19世紀(jì)末，科學(xué)界許多科學(xué)家已經(jīng)開始深入研究電磁波，由此誕生了黑體，黑體則是屬于熱力學(xué)范疇，黑體是一個(gè)理想化了的物體，為了研究不依賴于物質(zhì)具體物性的熱輻射規(guī)律，物理學(xué)家以此作為熱輻射研究的標(biāo)準(zhǔn)物體。
它能夠吸收外來的全部電磁輻射，并且不會(huì)有任何的反射與透射。換句話說，黑體對(duì)于任何波長的電磁波的吸收系數(shù)為1，透射系數(shù)為0。而我們知道一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多。
隨著溫度上升，黑體所輻射出來的電磁波則稱為黑體輻射。紫外災(zāi)難則指的是在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論中，能量均分定律預(yù)言黑體輻射的強(qiáng)度在紫外區(qū)域會(huì)發(fā)散至無窮大，這和事實(shí)嚴(yán)重違背。
普朗克假定，光輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)其能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，一份“能量”就是所謂量子。
然而當(dāng)時(shí)的物理界，包括普朗克本人，都討厭“量子”這個(gè)怪物，千方百計(jì)想要將它消化在經(jīng)典物理的世界之中，但卻屢試不果。
唯有愛因斯坦獨(dú)具慧眼，提出了“光量子假說”，他認(rèn)為光輻射不僅在于與物質(zhì)相互作用時(shí)的能量是一份一份的，光輻射的能量，本身就是“量子化”的，一份能量就是光能量的最小單元，后來稱之為“光量子”，或簡(jiǎn)稱“光子”。
后來，在兩者基礎(chǔ)上，以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派發(fā)展出來了量子力學(xué)，哥本哈根詮釋也就成為量子力學(xué)的正統(tǒng)解釋，其中恩的概率解釋、海森堡的不確定性原理和玻爾的互補(bǔ)原理，三者共同構(gòu)成了“哥本哈根解釋”的核心，量子力學(xué)與相對(duì)論共同構(gòu)成了現(xiàn)代物理體系的兩大支柱。
按物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律的不同，我們將遵從經(jīng)典運(yùn)動(dòng)規(guī)律(牛頓力學(xué)，電磁場(chǎng)理論)的那些物質(zhì)所構(gòu)成的世界稱為“經(jīng)典世界”，將遵從量子力學(xué)規(guī)律的那類物質(zhì)所構(gòu)成的世界稱為“量子世界”?！傲孔印本褪橇孔邮澜缰形镔|(zhì)客體的總稱，它既可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是BEC、超導(dǎo)體等宏觀尺度下的量子系統(tǒng)，其共同特征就是必須遵從量子力學(xué)的規(guī)律。
量子所具有的重要特性
量子所具有的比較重要的特性有量子疊加、量子糾纏。
量子疊加最有名的就是“薛定諤的貓”理論了，薛定諤的貓是指在一個(gè)盒子里有一只貓，以及少量放射性物質(zhì)。之后，有50%的概率放射性物質(zhì)將會(huì)衰變并釋放出毒氣殺死這只貓，同時(shí)有50%的概率放射性物質(zhì)不會(huì)衰變而貓將活下來。
根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，在盒子里必將發(fā)生這兩個(gè)結(jié)果之一，而外部觀測(cè)者只有打開盒子才能知道里面的結(jié)果。但是在量子的世界里，當(dāng)盒子處于關(guān)閉狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)則一直保持不確定性的波態(tài)，即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開后才能夠知道。
這里涉及到了一個(gè)電子雙縫實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，在德布羅意提出了波粒二象性之后戴維孫和革末通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了一切物質(zhì)都具有波粒二象性后。量子力學(xué)認(rèn)為當(dāng)人們沒有對(duì)粒子進(jìn)行觀察的時(shí)候，它們是以波的形式運(yùn)動(dòng)，由于存在干涉，穿過雙縫后會(huì)出現(xiàn)一道道痕跡。一旦觀測(cè)后，它們立刻選擇成為粒子，就不會(huì)產(chǎn)生干涉，穿過雙縫留下痕跡。
然而，薛定諤忘記了量子力學(xué)是旨在探究微觀領(lǐng)域，而非宏觀世界，有時(shí)候宏觀世界是無法用來解釋微觀世界的。
量子力學(xué)的一個(gè)中心原則就是粒子可以存在于疊加態(tài)中，能同時(shí)擁有兩個(gè)相反的特性，也就是我們說的波粒二象性。盡管我們?cè)谌粘Ｉ钪谐３Ｃ鎸?duì)“不是A就是B”的抉擇，而但在微觀世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的，就好像我們經(jīng)常說一個(gè)人，不能簡(jiǎn)單判斷他是善惡一樣。
薛定諤的貓可以說非常生動(dòng)形象讓大家看清了量子力學(xué)的本質(zhì)—— 一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。
疊加狀態(tài)會(huì)引起量子糾纏，在量子力學(xué)里，當(dāng)幾個(gè)粒子在彼此相互作用后，由于各個(gè)粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無法單獨(dú)描述各個(gè)粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)，則稱這現(xiàn)象為量子纏結(jié)或量子糾纏（quantum entanglement）。
量子糾纏是一種純粹發(fā)生于量子系統(tǒng)的現(xiàn)象；在經(jīng)典力學(xué)里，找不到類似的現(xiàn)象。舉一個(gè)例子，在微觀世界里，兩個(gè)糾纏的粒子可以超越空間進(jìn)行瞬時(shí)作用。也就是說，一個(gè)糾纏粒子在地球上，另一個(gè)糾纏粒子在月球上，只要對(duì)地球上的粒子進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)它的自旋為下，那么遠(yuǎn)在月球上的另一個(gè)糾纏粒子的自旋必然為上。
除此之外，量子還有一個(gè)有趣的現(xiàn)象，就是量子隧穿效應(yīng)，舉個(gè)例子，假如人在趕路，前面有一座大山擋住了去路，那么人如果要前往大山的另外一邊，那么你就只能翻過山去。但是對(duì)于粒子而言，它可以直接穿過去，即使能量不足，也可以穿山而過。這就是粒子穿墻術(shù)——量子隧穿效應(yīng)。
基本粒子沒有形狀，沒有固定的路徑，不確定性是它唯一的屬性，既是波，也是粒子，就像是我們對(duì)著墻壁大吼一聲，即使99.99%的聲波被反射，仍會(huì)有部分聲波衍射穿墻而過到達(dá)另一個(gè)人的耳朵。因?yàn)閴Ρ谑遣豢赡芮袛辔镔|(zhì)波的，只能在攔截的過程中使其衰減。
量子的運(yùn)用
量子科學(xué)目前來說，最廣泛的應(yīng)用是量子通信和量子計(jì)算機(jī)。
因?yàn)榫哂屑m纏態(tài)的兩個(gè)粒子無論相距多遠(yuǎn)，只要一個(gè)發(fā)生變化，另外一個(gè)也會(huì)瞬間發(fā)生變化，利用這個(gè)特性實(shí)現(xiàn)光量子通信的過程如下：事先構(gòu)建一對(duì)具有糾纏態(tài)的粒子，將兩個(gè)粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態(tài)的粒子與發(fā)送方的粒子進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量（一種操作），則接收方的粒子瞬間發(fā)生坍塌（變化），坍塌（變化）為某種狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)與發(fā)送方的粒子坍塌（變化）后的狀態(tài)是對(duì)稱的，然后將聯(lián)合測(cè)量的信息通過經(jīng)典信道傳送給接收方，接收方根據(jù)接收到的信息對(duì)坍塌的粒子進(jìn)行幺正變換（相當(dāng)于逆轉(zhuǎn)變換），即可得到與發(fā)送方完全相同的未知量子態(tài)。
經(jīng)典通信較光量子通信相比，其安全性和高效性都無法與之相提并論。安全性-量子通信絕不會(huì)“泄密”，量子通信技術(shù)被認(rèn)為是“保障未來信息社會(huì)通信機(jī)密性和隱私的關(guān)鍵技術(shù)”。
從潘建偉教授首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，經(jīng)過四年時(shí)間，2016年，墨子號(hào)量子衛(wèi)星成功發(fā)射。
中國科學(xué)家15日（當(dāng)?shù)貢r(shí)間）在美國《科學(xué)》雜志上報(bào)告說，中國“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在世界上首次實(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的量子糾纏，這意味著量子通信向?qū)嵱眠~出一大步。
目前，量子號(hào)還要實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)，量子密鑰分發(fā)是利用量子力學(xué)特性來保證通信安全性。它使通信的雙方能夠產(chǎn)生并分享一個(gè)隨機(jī)的、安全的密鑰，來加密和解密消息。
量子密碼學(xué)的核心就是量子密鑰分發(fā)，它是利用量子力學(xué)特性來保證通信安全性。它使通信的雙方能夠產(chǎn)生并分享一個(gè)隨機(jī)的、安全的密鑰，來加密和解密消息。
在這里我們要著重指出：
怎么樣能夠產(chǎn)生量子糾纏呢？現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)掌握許多制備量子糾纏的方法和途徑。最常用的是將一束激光照射到非線性晶體上便能產(chǎn)生糾纏光子對(duì)。所以人是不可能僅僅通過翻書就產(chǎn)生量子糾纏的，任何宣稱利用了量子糾纏原理的基本都可以判定為騙子。
因?yàn)榱孔盈B加的特性，這種糾纏光子源屬概率性的。這種參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的許許多多光子對(duì)中才會(huì)有一對(duì)光子是糾纏的，人們甚至無法預(yù)先知道哪一對(duì)是糾纏光子，只能采用能確定糾纏的探測(cè)裝置來加以識(shí)別，但一旦確認(rèn)該光子對(duì)是糾纏的，糾纏也會(huì)因此測(cè)量而消失。這也導(dǎo)致現(xiàn)在目前量子通信的應(yīng)用還存在一些缺陷。
而量子計(jì)算則被認(rèn)為是第四次工業(yè)革命的引擎，目前，科學(xué)界普遍認(rèn)為，第四次工業(yè)革命將會(huì)在核聚變、量子技術(shù)、5G、人工智能、基因工程這5者之中誕生。
目前來說，經(jīng)典計(jì)算機(jī)的發(fā)展已經(jīng)陷入瓶頸，隨著晶體管體積不斷縮小，計(jì)算機(jī)可容納的元器件數(shù)量越來越多，產(chǎn)生的熱量也隨之增多。其次，隨著元器件體積變小，電子會(huì)穿過元器件，發(fā)生量子隧穿效應(yīng)，這導(dǎo)致了經(jīng)典計(jì)算機(jī)的比特開始變得不穩(wěn)定。
晶體管
科學(xué)家認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)可以突破目前的困境，量子計(jì)算是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)每比特非0即1，而在量子計(jì)算機(jī)中，量子比特因?yàn)榱孔盈B加的特性，可以以處于即是0又是1的量子疊加態(tài)，這使得量子計(jì)算機(jī)具備傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法想象的超級(jí)算力。
舉個(gè)例子，如果x=0，運(yùn)行A；如果x=1，運(yùn)行B。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)只會(huì)一次執(zhí)行一種邏輯分支，要么A，要么B，要么兩種情況各運(yùn)行一次。
但在量子計(jì)算機(jī)中，變量X是量子疊加態(tài)，既為1，又為0，因此它可以在一次計(jì)算中同時(shí)執(zhí)行A和B。這就是我們說的量子比特或者叫量子位。成為了量子信息的計(jì)量單位。
做個(gè)總結(jié)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用0和1，量子計(jì)算機(jī)也是使用0跟1，但與之不同的是，其0與1可同時(shí)計(jì)算。古典系統(tǒng)中，一個(gè)比特在同一時(shí)間，不是0，就是1，但量子比特是0和1的量子疊加。這是量子計(jì)算機(jī)計(jì)算的特性。
所以如果我們將量子比特的數(shù)量增加到10個(gè)，那么傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要計(jì)算2^10=1024次。量子計(jì)算機(jī)需要計(jì)算多少次呢？
還是1次。
我們?cè)侔蚜孔颖忍財(cái)?shù)加到100個(gè)、1000個(gè)、10000個(gè)乃至更多，看出差距了嗎？現(xiàn)有計(jì)算機(jī)要運(yùn)行上萬年的工作量，量子計(jì)算機(jī)只用幾分鐘就能搞定。
目前全球都在想要去掌握量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)樗鼘?huì)在核試爆模擬、現(xiàn)代武器裝備研制，航天衛(wèi)星等國防科技領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，其次它也會(huì)在諸如氣象，物理，探測(cè)，材料科學(xué)與計(jì)算納米技術(shù)、人工智能、深入學(xué)習(xí)、生物醫(yī)藥、基因工程、金融分析等新興領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，在未來的 5G 甚至 6G 時(shí)代，它還將發(fā)展為共享服務(wù)器云計(jì)算的形式，發(fā)揮它極強(qiáng)運(yùn)算速度和大批量數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢(shì)。
所以，我們要明白網(wǎng)絡(luò)上流傳什么“量子肥料”、“量子水”、“量子接骨”“量子波動(dòng)速讀”等都是屬于忽悠人的詞，量子糾纏的特性并不是這樣使用的，像科普作家張軒中就指出：
量子糾纏與量子波動(dòng)這些概念，與人腦的聯(lián)系還沒有研究清楚。人的大腦的記憶行為，一般認(rèn)為與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元回路有關(guān)，在圖論上叫做環(huán)路。這是復(fù)雜系統(tǒng)或者說系統(tǒng)科學(xué)研究的內(nèi)容，目前量子力學(xué)還用不上這個(gè)領(lǐng)域。
最后說一下，教育孩子不能急功近利，在如今高壓力的社會(huì)下，家長想要孩子成才是可以理解的，但是不能揠苗助長，從而掉入了陷阱，從而給孩子起到一個(gè)不好的導(dǎo)向作用。
走進(jìn)神秘的量子世界
經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)·2020-10-25 11:48
日前，中共中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學(xué)習(xí)量子科技成為輿論關(guān)注的熱點(diǎn)話題。這一引發(fā)廣泛熱議的新晉“網(wǎng)紅”究竟是“何方神圣”，為何會(huì)受到全世界高度關(guān)注，在現(xiàn)實(shí)生活中又有何應(yīng)用前景？經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者帶您一起走近量子科技。
認(rèn)識(shí)量子科技先要從量子說起。量子是什么？根據(jù)量子理論，量子是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可分割。一個(gè)事物如果存在最小不可分割的基本單位，我們就可以說它是量子化的，并把最小單位稱為量子。所有人們熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。
什么是量子
中國科學(xué)院物理所研究員曹則賢在2020年跨年科學(xué)演講中曾打過這樣一個(gè)比方：我們生活中可以見到的、感知到的事物，包括光與能量的最小單位都能稱之為量子。就像我們遠(yuǎn)處看魚群是烏泱烏泱的一片黑，但是放大了看就是一條條魚，這就可以說是魚群的量子。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員、科普專家袁嵐峰在媒體上這樣撰文解釋：量子的本意是個(gè)數(shù)學(xué)概念，簡(jiǎn)言之就是“離散變化的最小單元”。什么叫“離散變化”？袁嵐峰這樣撰文解釋：我們統(tǒng)計(jì)人數(shù)時(shí)，可以有一個(gè)人、兩個(gè)人，但不可能有半個(gè)人、三分之一個(gè)人。我們上臺(tái)階時(shí)，只能上一個(gè)臺(tái)階、兩個(gè)臺(tái)階，不能上半個(gè)臺(tái)階、三分之一個(gè)臺(tái)階。這些就是“離散變化”。對(duì)于統(tǒng)計(jì)人數(shù)來說，一個(gè)人就是一個(gè)量子。對(duì)于上臺(tái)階來說，一個(gè)臺(tái)階就是一個(gè)量子。如果某個(gè)東西只能離散變化，我們就說它是“量子化”的。
與我們認(rèn)識(shí)的宏觀世界不同，人們發(fā)現(xiàn)在量子這一微觀世界中許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象違背常識(shí)，完全無法用經(jīng)典物理學(xué)詮釋。比如，根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，一個(gè)客體的狀態(tài)（用 0和1 表示）就像最簡(jiǎn)單的二進(jìn)制開和關(guān)，只能處于開或者關(guān)中的某一個(gè)狀態(tài)，即要么是 0要么是 1，這就好比一只貓，要么是生要么是死不能同時(shí)“又生又死”。
然而，這一理論并不適用于量子世界。在量子世界中，一只貓可以處于又生又死的疊加狀態(tài)。這種所謂的量子相干疊加正是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別。更為神奇的是，這種疊加狀態(tài)極其脆弱，一旦有人去測(cè)量，它就會(huì)立刻從疊加狀態(tài)變?yōu)榇_定狀態(tài)。
美國物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者穆雷·蓋爾曼曾發(fā)出如是感慨：量子力學(xué)是一個(gè)神秘的、令人捉摸不透的學(xué)科，我們誰都談不上真正理解，只是知道怎樣去運(yùn)用它。
量子通信無條件安全
雖然聽起來很神秘，其實(shí)量子科技距離我們并不遙遠(yuǎn)。比如，信息時(shí)代的關(guān)鍵核心技術(shù)，晶體管、固態(tài)硬盤、掃描電子顯微鏡等，即是第一代量子技術(shù)的代表性成果。今天，量子科技發(fā)展具有重大科學(xué)意義和戰(zhàn)略價(jià)值，將引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方向。
中國科學(xué)院物理研究所研究員范桁介紹，量子科技主要包含三方面內(nèi)容，量子計(jì)算、量子保密通信與量子精密測(cè)量。其中，量子保密通信主要表現(xiàn)為量子秘鑰分發(fā)。量子精密測(cè)量主要以利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典方法的精密測(cè)量為主，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。量子計(jì)算是量子科技重要組成部分，也是最具挑戰(zhàn)的目標(biāo)，被認(rèn)為是下一代信息產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)，意義重大。這三方面內(nèi)容也是世界各國量子計(jì)劃的主要組成部分。
目前，應(yīng)用最為成熟的當(dāng)屬量子通信。所謂量子通信，簡(jiǎn)單說就是利用量子力學(xué)相關(guān)原理解決信息安全問題的通信技術(shù)。其中，一個(gè)著名原理就是量子糾纏。一般情況下，量子體系中一個(gè)物理量的值并不能預(yù)先確定，而是依賴于采取何種測(cè)量基；進(jìn)一步，對(duì)處于量子糾纏的兩個(gè)粒子，對(duì)其中一個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果會(huì)瞬間確定另一個(gè)粒子的狀態(tài)，不論它們相距多么遙遠(yuǎn)。這一被愛因斯坦稱作“鬼魅般的超距作用”，便是量子通信的理論基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)通信方式建立在加密算法或者加密技術(shù)基礎(chǔ)之上，如果計(jì)算能力足夠強(qiáng)大破解了加密算法，就有被竊聽風(fēng)險(xiǎn)。量子的獨(dú)有特性，使其具有不可克隆測(cè)不準(zhǔn)等“先天優(yōu)勢(shì)”。用量子做成的“密鑰”來傳遞信息，加密內(nèi)容不會(huì)被破譯，竊聽者必然會(huì)被“抓包”，這為破解信息加密“瓶頸”提供了解決方案。
向著安全通信的夢(mèng)想努力奔跑——我國于2016年8月份發(fā)射的“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在2017年星地量子密鑰分發(fā)的成碼率已達(dá)到10千比特／秒（kbps）量級(jí)，成功驗(yàn)證了星地量子密鑰分發(fā)的可行性。目前，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化，密鑰分發(fā)成碼率已經(jīng)達(dá)到100千比特／秒（kbps）量級(jí)，具備了初步實(shí)用價(jià)值。
1120公里！2020年，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星再立新功：科學(xué)家們利用“墨子號(hào)”作為量子糾纏源，向遙遠(yuǎn)的兩地分發(fā)量子糾纏，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)——為量子通信走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。
“量子通信克服了經(jīng)典加密技術(shù)內(nèi)在的安全隱患。因?yàn)?，其安全性不依賴于?jì)算復(fù)雜度，這是原理上無條件安全的一種通信方式?！敝袊茖W(xué)院院士潘建偉稱。
量子計(jì)算潛力無限
除了量子保密通信，科學(xué)家們密切關(guān)注的另一個(gè)重要應(yīng)用是量子計(jì)算機(jī)。
在古代，人們就已制造出了可作一定計(jì)算的器具與機(jī)器。比如，中國發(fā)明的算盤，歐洲早期發(fā)明的各種計(jì)算器械?，F(xiàn)代意義上世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)名為埃尼阿克，它重達(dá)27噸，占地150多平方米，在1945年建造成功，目的是計(jì)算炮彈彈道。馮諾依曼1945年明確提出了存儲(chǔ)程序通用計(jì)算機(jī)方案，規(guī)劃了電子計(jì)算機(jī)架構(gòu)，使得計(jì)算機(jī)可以被廣泛應(yīng)用。
“但是，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)基于微處理器芯片摩爾定律，這無疑會(huì)碰到技術(shù)瓶頸，于是人們開始思考建造一種全新計(jì)算機(jī)——量子計(jì)算機(jī)。”根據(jù)范桁的介紹，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行遵循量子力學(xué)原理，以量子比特為基本信息單元，以量子糾纏、相干疊加和量子測(cè)量為特色，其發(fā)展也將遵循經(jīng)典計(jì)算機(jī)類似的軌跡。“不過，我們現(xiàn)在看到的量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)功能比較單一，只能模擬某些特定量子過程，或者解決某些簡(jiǎn)單問題。”范桁說。
如果世界上有量子計(jì)算機(jī)，我們現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)能否實(shí)現(xiàn)其功能？范桁分享了國際科研進(jìn)展。2019年，谷歌宣布實(shí)現(xiàn)了53個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算在處理隨機(jī)線路采樣問題時(shí)，其200秒完成的任務(wù)經(jīng)典計(jì)算機(jī)要用一萬年。目前，超導(dǎo)量子處理器芯片已達(dá)到50個(gè)至100個(gè)量子比特，用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬其功能需要用天河或者太湖之光這樣的超級(jí)計(jì)算機(jī)?！岸嘣黾右粋€(gè)量子比特，經(jīng)典計(jì)算機(jī)資源就需要翻番，這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)將不具有持續(xù)性。因此，量子計(jì)算機(jī)的功能不可能用經(jīng)典計(jì)算機(jī)來替代?！狈惰毂硎?。
不僅如此，與經(jīng)典算法相比，人們已知運(yùn)行于量子計(jì)算機(jī)的某些量子算法具有明顯優(yōu)勢(shì)。比如，肖爾算法和格羅夫量子搜索，它們都在信息安全方面具有重要應(yīng)用，這些算法的實(shí)用化運(yùn)行將迅速對(duì)現(xiàn)有信息安全體系造成全面沖擊。在實(shí)用性方面，量子搜索算法可以期望應(yīng)用于大數(shù)據(jù)；量子退火算法可以應(yīng)用于優(yōu)化問題，比如物流和交通優(yōu)化等；量子模擬可以被應(yīng)用于量子化學(xué)和量子物理研究，比如生物合成和藥物篩選等；量子模擬向量網(wǎng)絡(luò)態(tài)可應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。
既然如此強(qiáng)大，量子計(jì)算機(jī)何時(shí)能從夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)？范桁坦言，量子計(jì)算機(jī)的研究剛剛起步，距離實(shí)用化需要的成千上萬個(gè)量子比特仍有較大距離。此外，量子計(jì)算機(jī)的建造兼具工程與科學(xué)特色，不可控因素較多，技術(shù)上也有瓶頸需要克服。因此，需要各領(lǐng)域?qū)＜衣?lián)合攻關(guān)，在集中資源重點(diǎn)突破的同時(shí)，兼顧多種技術(shù)路線。
比如，IBM等高科技公司逐漸擺脫了單純科研探索模式，以實(shí)用化、集成和綜合性為目標(biāo)，其研發(fā)涵蓋軟硬件各個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)方案大多選擇了超導(dǎo)量子計(jì)算方案，以提供云量子計(jì)算服務(wù)，培養(yǎng)量子計(jì)算生態(tài)作為一個(gè)重要的目標(biāo)中國科學(xué)家在超導(dǎo)量子計(jì)算方面也有世界性先進(jìn)成果：中國科學(xué)院物理研究所、浙江大學(xué)和中國科大等合作，在去年實(shí)現(xiàn)了20 超導(dǎo)量子比特的薛定諤貓態(tài)制備，創(chuàng)造了固態(tài)系統(tǒng)糾纏量子比特?cái)?shù)世界紀(jì)錄?！伴L期來看，量子計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大，是下一代信息技術(shù)制高點(diǎn)，有望影響人類生活的方方面面，國際競(jìng)爭(zhēng)不可避免?！狈惰煺f。
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