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出品：科普中国 制作：马慧 监制：中国科学院计算机网络信息中心 说起量子力学，相信大家都有所耳闻。相比其他物理学科，量子力学似乎格外受人们青睐。的确，量子力学似乎更能激发起人们的兴趣——它为我们展示了一个奇异而美妙的微观量子世界。近年来，随着科技的进步，量子力学不再高高在上处在我们不可触及的地方，而是开始渐渐地开始应用，走进我们的生活中，我们惊奇地发现，量子力学其实就在我们身边。 在“量子”概念被热炒的今天，不可否认的是，很多人对量子力学的概念所知甚少，以致很容易被同样一知半解的媒体所误导，对这门严谨而又充满前景的学科产生多多少少的误解，这是我们不愿看到的。 当谈起量子力学时，我们会想起什么？ 想必很多人首先会想起只“薛定谔的猫”——量子力学的奠基人之一，奥地利物理学家薛定谔于1935年提出了这个至今被大家津津乐道的思想实验。 紧接着会联想新闻中看到的“量子通信”这一概念——我国于2016年8月16日发射了名为“墨子号”的量子通信卫星，将在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信。 “墨子号”的量子通信卫星（图片来源于网络） 在说这只猫与这枚卫星之前，我们都需要补充一些量子力学的理论，然后我们再试着以一个严谨的科学的姿态，利用“量子”的观点去了解它们。 争论至今的理论与薛定谔的思想实验 量子力学最为人称奇的概念当属“观测-坍缩”理论。 举例说明。假设这里有一种具有放射性元素（有放射性意味着可能发生衰变），我们拿出其中一个原子，用于观测它的衰变现象。根据我们的经典认知，在某一个时刻，这个原子要么是衰变了，要么没衰变，这是非常显然的。然而，量子力学的观点告诉我们，在观测前，这个原子一直处在“衰变/没衰变”的叠加态，直到我们去进行观测，这个原子才会确定为其中一个状态，物理学家们称原子坍缩到了这个状态。 你一定会觉得不可思议：一个原子怎么可能处在两个不可能同时发生的事件（衰变/没衰变）的叠加状态呢，这到底是一个什么样的状态？而且，为什么只要它进行观测，这个原子就又会乖乖的回到其中一个状态中去呢？ 薛定谔也是这么想的。于是它构想出了现在我们称之为“薛定谔的猫”的思想实验。设想有一个密封的盒子，里面放着一瓶毒气和一只猫。在毒气瓶旁放着一个小锤子，有一个精巧的装置控制着它——这个装置可以检测一个放射性原子是否发生衰变，如果原子发生衰变，它会控制锤子敲碎毒气瓶，盒子里的猫会被毒死。我们将一个可衰变的原子放进这个装置，量子力学告诉我们，如果我们不对这个原子进行测量，它将处于“衰变/不衰变”的叠加态，也就是说，在这个实验中，如果我们不打开盒子进行测量，这只猫将处于“死/生”的叠加态。 （图片来自网络） 听了薛定谔老先生的实验，你可能认为量子力学背后蕴含着很多哲学观点，觉得量子力学是唯心的等等，将量子力学神秘化。但是仔细想来，这实际上只是一个偷换概念的把戏——薛定谔只是通过一个假想的装置将量子态的叠加对应到宏观中状态的叠加。然而宏观体系本身不允许处在一个由不同态构成的线性组合的态，一个人不可能处于生和死这两种状态的叠加，人或者生命体也没有所谓的“基本状态”可言。当年薛定谔他老人家提出这个思想实验，是为了向人们讲述坍缩现象是多么诡异，并没有其他任何唯心主义思想观念在里面。 “测量-坍缩”的思想量子力学的基本假设之一。量子力学允许一个量子体系处在很多“基本”状态的叠加状态下。而且，对于一个量子体系，不管它处于怎样复杂的叠加状态，只要有人观测，它会立即“坍缩”到其中一个基本状态，如果紧接着再进行下一次观测，它将仍然处于这个基本的状态。 这就像是说，有一个乱哄哄的教室，纸团乱飞，学生也随意走动。就在这时，老师走到了门外。就在老师推门的一刹那，教室里的同学们像提前知道老师要来一样，迅速整好书桌，回到自己的座位认真学习，速度之快，以至于老师只看到同学们在努力学习的样子。老师看到大家认真学习的样子很是高兴，转身离开。走到一半，老师放心不下，又回去看了一眼，教室依旧非常宁静祥和，同学们依然在刻苦用功地学习。老师欣慰地点了点头，满意地回到了办公室。然而，在确认老师离开后，调皮的学生们又重新开始了教室狂欢。 量子纠缠与量子通信 目前我们已经知道，对于一个量子系统，如果检测，就会“坍缩”到其中一个基本态。接下来，我们要讲述量子力学更为神奇的一个概念，量子纠缠。 是不是听名字总感觉在某些科幻电影里面见过？的确，“量子纠缠”是属于未来的科技。关于它的理论构建与应用是目前很多从事量子力学的科学家们正在研究的课题。 量子力学允许两个量子态以某种形式产生“纠缠”，所谓“纠缠”。是指两个量子态虽然分开，但是仍存在着一些联系。对于处于纠缠态的两个粒子A与B，我们将它们分开，这时，如果我们对A进行测量，根据之前所说的，A将坍缩。但紧接着，B似乎感受到了A的行为，同时发生坍缩。我们有理由相信，两个粒子通过某种方式，进行了某些信息上的交流。纠缠概念最先由爱因斯坦、波多尔斯基、罗森三人提出的（纠缠态也叫做EPR态，取三位的首字母）。随着科技的进步，人们渐渐发现了量子纠缠蕴藏着巨大的前景。 试想，A、B两地放着一对相互纠缠的量子系统，那么理论上，A可以通过对这个量子系统的作用，将一定的信息传到与之相纠缠的B处。如果能够实现这种“量子通信”，那么它将实现绝对保密通信。 目前我们使用的保密通信一般是建立在计算复杂度的基础上，不断提高计算复杂度使得破解方面对庞大的计算束手无策，但终究存在理论上的破解可能。但是量子通讯从理论上杜绝了破解信息的可能行（至少目前没有任何办法），这足以让通信保密领域的专家激动到睡不着觉。但是量子通讯仍然处在理论阶段，要想真正应用到生活当中，不论是技术还是理论，都由很长的一段路要走。值得一提的是，我国科学家在量子通信的领域取得了不错的成果，跻身世界前列。我国发射的“墨子号”就是世界上首颗量子卫星，用来验证能否利用量子通信的原理，实现天地间的通信。在这里我们也祝愿中国的科学家们再接再厉，让中国成为量子通信领域的领头羊。 关于量子纠缠，至今还有很多未解的谜题。我们仍然不清楚这两个粒子是怎样互通消息的，科学家们正在想办法搞清楚这个问题。两个粒子间的信息传递速度也是让科学家疑惑的地方，因为它似乎有超越光速的可能。我们直到，相对论告诉我们，任何物体或者信息是不能超过光速的，但是如果实验上证实了两个相互纠缠的粒子间信息的交换确实可以超光速，那么将是物理学界的一场翻天覆地的革命。正因如此，爱因斯坦将其称之为“幽灵般的远程效应”。 科学的革新给生活带来质的飞跃 科学技术是第一生产力。回望历史，每一次技术的革命，都带来人民生活质的飞跃。从蒸汽到电气，科学技术的发展与我们的生活息息相关。 如今我们正处在科技的瓶颈期，很多科技的发展都遇到或多或少的困难。因此我们亟需一些新的理论知识与技术来突破瓶颈，而量子力学可能是个最大的突破点。现如今，量子通信正在蓬勃发展，量子计算机也处在萌芽阶段。我们已经无法将量子力学束之高阁，不知不觉地，量子力学已经走到了我们身边。 |
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