 我们总是抱有怀疑这个世界到底是什么。如果人类发现不了黑洞，探测不到基本粒子，那我们可能就不会想得太多。但现在已经晚了。人类自从打开量子世界的大门， 发现它和宏观世界截然不同。如果说宏观世界是 1 加 1 等于2，那量子世界就是 2 等于 1 加1。  这期我们聊聊量子世界。不知道你有没有发现生活的乐趣其实在于战队，有的人喜欢狗，有的人喜欢猫，有的人喜欢外星人。不管这些人有没有自己的圈子，在生命立场的时候，他们都会毫不犹豫地站队，看对方也跟看那啥一样。其实不光是人，动物也一样。如果你仔细观察，会发现狗也有朋友，他们也会站队，每天待在一起的一只就那么几只，不信的话你可以留意一下，这其实挺有意思的，以后我们也可以研究下狗的社会关系。 为什么说到站队，早期研究光的人就可以分为两个阵营，最先流行起来的是波动派。惠根斯最先认为光就是波光，光的干涉现象就是最直观的证明两束光交叉就会产生干涉条纹。但有一个疑问，绘根斯一直没有解决，就是光的衍生问题。光在经过小孔时就会偏离直线传播，他一直很苦恼，并且一直解释不了。后来牛顿也对这事开始感兴趣，他认为光既然都是直线传播，并且遇到障碍物还会反射，这和经典力学扔石头没有区别。光一定是粒子。然后他就提出了光的威力，说力挺光是粒子。牛顿在当时物理学界，那就是信仰他说什么别人就信什么？以牛顿为首的粒子派开始流行，但是粒子派不能解释光的折射。 虽然很多人认为是以派的作怪，但也只是猜想，实验证明不了。后来托马斯岩无意间发现光照过两条缝隙时，会产生非常明显的干涉现象。这可是亲眼所见。如果光是例子，按道理穿过两条缝隙，那肯定会形成两数波动，派复古成功取缔弟子派成为主流，这其实是一件大事。牛顿的理论竟然有人撼动了。但是光的故事一言波折，后来光链相应被发现，就是光撞击物体会变成电子光，好像又是一连串的粒子组成，粒子派又开始占据上风。两个学派之下都有自己能拿得出手的证据，争执就从来没有停过，谁也不服谁，谁都有自洽的一套，不可能轻易改变信仰。其实后来已经有人想到了，光会不会既是波又是例子，这个想法很大胆也很危险，但还是得做实验论证。从 1909 年开始，就有人在做这个非常直观的双缝干涉实验，直到现在科学家也在不断尝试这个实验，但结果都是一样，一脸懵逼。 双缝干涉的实验原理很简单，就是利用光源照射两个平行的瑕缝，然后观察后面屏幕上出现的光点。按道理来说，这个实验只会有两种可能。第一种，光是离子，那么背后的屏幕上就会出现两条杠。这个很好理解，光子被发射出去，要么从左边缝隙过，要么从右边缝隙过，发射足够多的光子之后，背后的屏幕一定会出现两条杠。第二种，光是波，那么屏幕上就会出现干涉条纹，这个也很好理解，你可以把光波想象成水波波纹，在经过两道缝隙时会形成两个新的波纹，然后两个波纹交融在一起，最终打到屏幕上就会形成有亮部和暗部的斑马纹，相交的部分更亮一些，不相交的部分暗一些。  好了，理论咱们有了，开始实验！刚开始官员是连发模式，对着双缝就是一阵突突。一段时间后，屏幕上出现了非常明显的斑马云，无可厚非波登牌胜利。但是呢粒子牌不符，光子明明是一颗颗射出去的，你怎么可以连发呢？那么好，官员启动单发模式，保证一次就发射一个光子，然后对着双缝又是一帧突。 刚开始屏幕上是一个个小点，但是慢慢的屏幕上又成了斑马纹，还是波腾派预想的干涉条文波腾派再次胜利。实验结果出来了，两个学派都有脸懵。按理说单个光子要么穿过左边缝，要么穿个右边缝，不可能会形成干涉，屏幕上只会出现两条杠，难道光子在穿缝之前分戴成了两个？抱着这个疑问继续做实验。这次在双缝后面加上摄像机，到底看看光子穿过来哪条缝，结果是每次光子只会成为一条缝，和想象的一样，光是粒子。 但是在加了摄像机之后，奇怪的事情发生了，背后的屏幕上不再形成干涉条纹，也就是不加摄像机时，光表现出了波的性质，出现干涉条纹。但是加了摄像机光就表现出了粒子的性质，不出现干涉条纹。这种现象有个名字叫做量子擦除，大概意思就是当你得知量子路径时，它就不产生干涉条文。当你不知道量子路径时，它就会产生干销条文到这里，别说你想不通，我也想不通，爱因斯坦也想不通。别看爱因斯坦的理论各种玄乎，时间可以不一样，慌速永远恒定。但他坚信我们这个世界就是客观世界。 客观世界怎么定义呢？不管你去不去观察，这个世界都是存在的。不可能说你出门了，那你的房子就不在了，你回家了房子就变出来了。你究竟有没有房子跟你回不回家有关系？还有个比喻也挺有意思。一场球赛球员能不能进球和很多因素有关， 要么是今天发型没做好， 影响了心情，要么是 7 天没吃饱，力气没过，唯独不会和你有没有坐在电视机面前有关系。不可能说你看电视了，球就进了，你没看电视球就没进，这怎么想都有点不可思议。但其实有一个世界跟量子世界很像，也比较有意思。就是游戏程序员在编写游戏代码时，往往会为了节省电脑的运算量，游戏人物到哪里资源才刷新，你如果不出现，那里肯定没东西，而且那里面有没有东西会出现什么都是注定好了的。这就和你在游戏中抽奖是一个道理。你以为抽奖的希望在于那个转盘，其实转盘只是走个过程，按照程序设定，你抽奖之前就已经决定了你会不会中这次奖了。 游戏世界和量子世界相似的地方有很多，我们以后可以专门出一期，这还挺有意思。S 虽然挺怀疑，但他也做了不少贡献。他也因为在光电效应的研究获得了诺贝尔物理学奖。经过他的解释，很多人才意识到可能光有的时候是波，有的时候是粒子。量子力学有个大神级的人物。这个人年轻时就喜欢在踢球时思考物理题，幸好自己是守门员，还能有时间去发呆。他就是尼尔斯布尔，后来和海森堡等人一同提出了哥本哈根全释来解释量子力学大概就是这么几个基本原则，1、量子力学本质上就是不确定的，你不能用宏观的概念去阐述它。 二、对应原理，大尺度的宏观量子行为应该是接近经典物理行为。三、拨人定责，量子系统的描述是概率性的，也就是测准。四互补性，粒子的某些性质同时只能确定展现一个不能同时展现出两种行为。比如波或者粒子并不是波和粒子。哥本哈根学派坚持认为量子力学的研究你就不能用经典物理学来解释，这本来就是两个不同的世界，即使宏观世界看上去是绝对论，但到了量子世界，它就是不确定的。但爱因斯坦不这么想，他就坚持认为客观世界就是客观世界，只要是客观世界，就一定遵循决定论。爱因斯坦和布尔的争论经常发生，而那句上帝不会掷色子，就是跟布尔争论时候说出来的。而著名的薛老师的猫也是薛老师拿来恶心哥们坑学派的。既然你们说宏观世界和量子世界不一样，那薛老师的猫其实就钻了这个牛角尖。猫是宏观世界的，猫既能满足既死又活的状态吗？显然不能。  在这段时间里，爱因斯坦也联合了很多物理学家提出了一系列的思想实验，恶心布尔，而布尔也确实被恶心到了，直到自己去世，还一直想着怎么恶心回去。爱因斯坦研究量子力学其实也挺懵逼的。 35 岁自己就成名了，之后的时间里却因为上帝会不会掷色子的问题，一直很郁闷。不过安雨伞还是坚持自己的决定论，如果说到底是什么原因让量子有不确定的这种属性，一定是存在什么隐藏的变量。但直到离世，两位大佬都没能看见各自的信仰被证实。 量子事业有个非常让人难以理解的现象，量子纠缠就是你将一对例子分开之后，不管把它们分到哪去，分开多远观测其中一个例子，发现它的自旋向上那么另外一个例子必然自旋向下，这里的自旋大家要知道它并非真的在旋转而是一种自带的物理属性。怎么理解量子纠缠呢？就相当于一双鞋子分成两只，分别送给小白和小黑。小黑如果打开盒子发现鞋子是左脚，那么小白打开盒子发现鞋子一定是右脚。那可能有同学说了，你这不是废话吗？对，确实没有什么问题。但是如果我告诉你，鞋子的左右脚不是事先分好的，在没有被宽侧之前分开的两只鞋子既是左脚又是右脚，而是必须经过观测才能确定两个鞋子的状态，其中一个是左脚，那么另外一个必须是右脚。 这双鞋子不管你们把它们分开多远，它们其中一个被打开，一定会影响到另外一只鞋子。它们之间的信息传输可以说是 5000 块，也可以说是同时发生按照量子力学的解释，这个就很难受了。一双鞋子被分开，它只能是左脚和右脚，为什么它还能处在既左右右的叠加态呢？诶量子力学就是这么不讲道理，你收到鞋子是左脚还是右脚，一定要看了才知道。 这里有个关键的东西，观察者看了这个鞋子才会坍缩，变成可以实测的本正态。但现实世界是什么？两只鞋子被打开后一定是不同的，并不存在相互影响，因为这肯定是提前确定好的。爱因斯坦也是这么觉得，难道我不观察这个东西就不存在了吗？怎么可能？爱因斯坦认为电子的超局相互作用就是胡扯，没有东西可以违背局域性原理。  局域性原理就是一个地方发生的事件，不可能立刻影响到另外一个地方。关键是狭义相对论，说任何物质和信息的传播速度的上限就是光速。如果量子力学对了，那爱因斯坦就站不住脚了。所以爱因斯坦认为鞋子在分配之前就已经确定好了的，这是一个完全决定性的原理。至于这两只鞋子是谁分配的那个人肯定躲得起来。而这个躲了起来的人就是爱因斯坦认为的一定存在的隐变量。但是量子力学之所以能走到今天，必然有拿得出手的证据。不过想做量子纠缠的实验没那么简单。两个量子的状态，不管你先看哪个，都会看到一个确定的状态。而另外一个必然是相反的状态，这个几乎没有办法完成实验，需要观察者介入。那确定其中一个必然另外一个就是相反的，不管是经典力学还是量子力学，都满足这一点，那怎么办呢？后来有个关键的人出现了，这个人就是约翰贝尔。贝尔上大学的期间就喜欢研究量子力学。他看了爱因斯坦和布尔两个人关于量子力学的论文，觉得爱因斯坦比布尔聪明多了。贝尔也近视，认为上帝是不可能治色子的。 反观布尔的观点，总感觉他有点像搞哲学的，并不是搞科学的这样。贝尔一直觉得量子力学的理论一定是不对的，S还只是认为量子力学的理论是不完善。可能存在什么？隐变量，人力还没发现而已。而贝尔的观点更为激进，量子力学可能完全就是错的。他在研究已变量的过程中得出了一个结论，对于已变量理论，如果它满足局域性，那它就不可能满足量子力学。如果它满足量子力学，它就一定不可能是局域性的。 1964 年，贝尔将这个结论放进了它的论文中，并且还提出了著名的。贝尔不等式的推导过程比较硬核，所以咱们就不展开了。贝尔不等式的最重要的前提就是局域时代性，也就是隐面量需要满足局域时代性原理。从理论上推导经典力学满足贝尔不等式，但量子力学不一定满足贝尔不等式。理论上来说，已变量在量子力学中已经被推翻了。贝尔亲自用理论证明了自己的信仰是错的。其实贝尔自己也比较虚他觉得可能是哪里出错了。但他最大的贡献就是让量子纠缠可以通过实验来验证了，后续的实验比较硬核，也比较复杂，咱们就不展开讲了。但诸多实验都证明了哥本甘学派是对的，以面量不存在电子纠缠，具有超巨作用。一开始分鞋子的时候就没有确定因素在而被分开的两只鞋子，它就既是左脚又是右脚。如果说有什么实验可以证明，也更直观幽灵纯像实验其实可以。 原理很简单，光源发射出重兑的光子，一组光子总有模板的方向，另一组总没有模板的方向。然后神奇的现象发生了，另一组不穿过模板的光子，显示出了那组穿过模板的图像。仔细想一想，这个实验十分直观，光子不可能在穿过模板的时候再返回回来，穿到另外一组反射图像。没有模板的那组光呈现的图案可以说同时显示出来的。这其实就是我们开头想说的。 2 等于 1 加1，其实这里也没有先后的过程，只是因和果同时发生了。这个在我们现实生活中很难想象，宏观世界中我们都习惯了先有因再有果的顺序我做的这个视频是因你看到这个视频是果。按照量子力学的解释，因和果同时发生了。我在做这个视频的时候，你也在看这个视频，可能很多同学到这里有点懵，我其实也挺懵的。 贝尔在之后的时间里也一直很懵，经过冥思苦想，他给出了一个让大家也很懵的解释终极决定论。他认为这个世界宇宙的所有规律都是决定好的，每一步都是绝对精确的。客观世界下的运动都是安排好的，我们做的每一步也都是提前确定好的，甚至人的自由意志也不是自由的，也都是确定好了的，不会被改变。  贝尔本来的贡献是把量子力学从哲学那里给拉了出来，让它能被物理实验所验证之后，却用毕生的精力又把量子力学给推回到了这些事件。爱因斯坦的绝对论其实和他的差别还是很大的。爱因斯坦认为所有的事情都会被人的认知举止决定和行为影响，一件事情的发生必然有期所有因素汇集而成。人的自由意志其实是决定论的一个观念所在，但也只是世界会不会发生的一个因素罢了。但到了贝尔这里没有办法了，只能用终极决定论来解释了。埃斯尔如果知道自己错了，会不会也相信贝尔这一套？之前听过一句话，如果你自认为懂了量子力学，那你肯定没懂。如果你钻研了量子力学，觉得还是没懂那么恭喜你，你可能入门了。到这里你是懂了还是没懂呢？我 11 号带你探索宇宙。  量子世界有多大？ 奥地利和瑞士科学家已经成功地将只有100到140纳米宽的纳米粒子冷冻，让它们几乎完全进入最低能量的量子状态，使它们的温度仅比绝对零度高出几百万分之一度，并且可以精确的测量它们的空间位置。 一直以来，研究人员一直在稳步增加粒子的大小，从原子到小分子，然后是大分子……他们希望得到表现出量子效应的粒子能持续到何种尺寸。  宏观状态下，每个物体都有自己的位置，我们可以通过坐标系统精确地确定一个物体的空间位置。 当进入微观世界，物质达到量子级别，重力不再起作用，粒子将进入一个所谓的量子叠加状态——在测量它们之前，不可能说它们就在它们的位置，它可以在这里，可以在那里，也可以在别的地方。 但是当粒子与周围环境相互作用时，这种量子效应往往很容易受到干扰，因此，随着物体变大并经历更多的相互作用，建立叠加状态会变得困难，这些相互作用几乎瞬间叠加-坍塌。 量子叠加效应的消失是由于粒子的大小限制？还是因为量子行为与重力不相容（原子和分子可以忽略不小）？ 这些问题在量子理论的百年历史中一直存在的问题。 另一个与精确测量粒子的空间位置相反的想法是，对于叠加态的粒子，根本就没有明确的答案——"位置"的属性定义不明确。当我们看粒子时，我们怎么知道粒子是在叠加之前的粒子，还是现在的粒子？ 所以，我们不需要精确知道粒子的位置，我们只要知道它们在空间出现的概率即可，就像波一样，而且可以用波函数数学公式来描述。 当粒子穿过屏幕上两个狭小的隔缝时，量子干扰最为明显。如果我们关注粒子到底穿过哪个缝隙，那么粒子的行为将很像水波，其波功能将同时通过两个缝隙传播，从而形成双峰干涉。但是，如果我们在缝隙放置一个测量装置来告诉我们每个粒子是否通过它，观察粒子的路径，那么干扰模式就会消失 那么物体尺寸多大时，还能同时表现出波和粒子的性质（简称波粒二象性）？  从理论上讲，任何大小物质都能表现出波动性和粒子性，但是随着物种尺寸的增大，物质的波动性不明显。 1999年，维也纳大学的量子物理学家安东·泽林格用碳60进行了双缝实验研究这个问题，他们发现一个清晰的干扰模式，证明即使是像C60这样0.7纳米的分子可以进行干涉试验。 2011年，量子物理学家马库斯·阿恩特和他的团队对碳基有机分子进行干涉试验，每个原子最多430个原子，直径高达6纳米。2019年，他们用大约2000个原子的分子做到了这一点。2020年，他们用生物分子（一种叫做克麦地那A1的天然肽）进行了干涉实验。他们的目标是每年或两年将粒子的质量增加10倍，最后用生物进行干涉试验，探索量子干涉的极限。  马库斯·阿恩特实验室干涉仪的高真空室 现在，量子力学似乎与现代重力理论（爱因斯坦的广义相对论）不相容。量子世界是离散的和粒子性的，而相对论则把时空描述为平滑和连续。通常情况下，这种不和谐可以忽略，因为量子力学描述尺度非常小的微观世界，而广义相对论描述大宇宙天体。如何将极小和极大联系在一起，这是物理学界的一座圣杯，包括霍金在内的几代物理学家已经为之倾尽毕生心血。 英国数学物理学家罗杰·彭罗斯认为，在中尺度上，当量子理论与广义相对论相冲突时，后者将获胜，破坏量子效应。在广义相对论下，任何具有显著引力场的物体都会扭曲时空。但是，处于叠加状态的物质会产生两个叠加的时空，这是广义相对论不允许的情况，在此种情况下，重力将作出选择，只能保留一种情况。那么在此种情况下，可以监测到粒子重力，产生叠加的粒子重力也在发挥作用。 换句话说，将量子尺度扩展到重力起作用的大小，并在波函数坍缩之间观测到它们，那将是对量子力学本质的巨大发现。  深度长文：量子到底是什么？解读量子世界以及量子的实际应用！ 最近量子这个词非常火，像前些年的纳米这个词一样，被广泛应用在各类产品里，像什么“量子波动速读”，这种方法是从日本漂洋过海来的，号称孩子用此法可在5分钟内看完一本10万字的书籍，并能把内容完整复述闭着眼也能和书发生感应。宣称是利用了光的波粒二象性和量子纠缠原理其具体的解释为： 利用量子纠缠，产生波粒二象性，让大脑和书本发生感应，改变人类阅读的反应过程，由“看、读、理解”简化为“看、理解”，经培训后可达到“书中文字快速成像、光波飞入电影回放、一目十行过目不忘”的效果，甚至还可以闭着眼睛，直接翻书，根本不用看就能和书本发生感应，知道书中内容和作者所要表达的意思。 比“量子波动速度”更扯的是“量子接骨”，打出了“通过量子干预技术，异地就能把骨折治好……”这样的口号，还号称可以只需提供一块土地的航拍图，确定土地位置，便可通过“量子干预”，提高农产品的产量，“改良后的农产品无公害，还品质高，相当牛。” 这家骗子公司大家要警惕 这些年，很多营销人士为了忽悠用户，都拿出那些非常专业的名词移花接木到产品之上，给人一种非常专业、权威的感觉，比如前些年的纳米汗蒸之类的。这些其实只要细想就漏洞百出的影响概念，但还是有人前赴后继上当。 那么量子究竟是什么呢？它究竟有什么作用呢？今天我们就来详细了解一下！ 量子究竟是什么 量子（quantum）是现代物理的重要概念。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。 1900 年，普朗克首次提出量子概念，用来解决困惑物理界的“紫外灾难”问题。 紫外灾难：19世纪末，科学界许多科学家已经开始深入研究电磁波，由此诞生了黑体，黑体则是属于热力学范畴，黑体是一个理想化了的物体，为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家以此作为热辐射研究的标准物体。 它能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射。换句话说，黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1，透射系数为0。而我们知道一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。 随着温度上升，黑体所辐射出来的电磁波则称为黑体辐射。紫外灾难则指的是在经典统计理论中，能量均分定律预言黑体辐射的强度在紫外区域会发散至无穷大，这和事实严重违背。 普朗克假定，光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的，而是一份一份的，一份“能量”就是所谓量子。 然而当时的物理界，包括普朗克本人，都讨厌“量子”这个怪物，千方百计想要将它消化在经典物理的世界之中，但却屡试不果。 唯有爱因斯坦独具慧眼，提出了“光量子假说”，他认为光辐射不仅在于与物质相互作用时的能量是一份一份的，光辐射的能量，本身就是“量子化”的，一份能量就是光能量的最小单元，后来称之为“光量子”，或简称“光子”。 后来，在两者基础上，以玻尔为首的哥本哈根学派发展出来了量子力学，哥本哈根诠释也就成为量子力学的正统解释，其中恩的概率解释、海森堡的不确定性原理和玻尔的互补原理，三者共同构成了“哥本哈根解释”的核心，量子力学与相对论共同构成了现代物理体系的两大支柱。 按物理运动规律的不同，我们将遵从经典运动规律(牛顿力学，电磁场理论)的那些物质所构成的世界称为“经典世界”，将遵从量子力学规律的那类物质所构成的世界称为“量子世界”。“量子”就是量子世界中物质客体的总称，它既可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子，也可以是BEC、超导体等宏观尺度下的量子系统，其共同特征就是必须遵从量子力学的规律。 量子所具有的重要特性 量子所具有的比较重要的特性有量子叠加、量子纠缠。 量子叠加最有名的就是“薛定谔的猫”理论了，薛定谔的猫是指在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质。之后，有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫，同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。 根据经典物理学，在盒子里必将发生这两个结果之一，而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。但是在量子的世界里，当盒子处于关闭状态，整个系统则一直保持不确定性的波态，即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后才能够知道。 这里涉及到了一个电子双缝实验实验，在德布罗意提出了波粒二象性之后戴维孙和革末通过实验确认了一切物质都具有波粒二象性后。量子力学认为当人们没有对粒子进行观察的时候，它们是以波的形式运动，由于存在干涉，穿过双缝后会出现一道道痕迹。一旦观测后，它们立刻选择成为粒子，就不会产生干涉，穿过双缝留下痕迹。 然而，薛定谔忘记了量子力学是旨在探究微观领域，而非宏观世界，有时候宏观世界是无法用来解释微观世界的。 量子力学的一个中心原则就是粒子可以存在于叠加态中，能同时拥有两个相反的特性，也就是我们说的波粒二象性。尽管我们在日常生活中常常面对“不是A就是B”的抉择，而但在微观世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的，就好像我们经常说一个人，不能简单判断他是善恶一样。 薛定谔的猫可以说非常生动形象让大家看清了量子力学的本质—— 一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。 叠加状态会引起量子纠缠，在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠（quantum entanglement）。 量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。举一个例子，在微观世界里，两个纠缠的粒子可以超越空间进行瞬时作用。也就是说，一个纠缠粒子在地球上，另一个纠缠粒子在月球上，只要对地球上的粒子进行测量，发现它的自旋为下，那么远在月球上的另一个纠缠粒子的自旋必然为上。 除此之外，量子还有一个有趣的现象，就是量子隧穿效应，举个例子，假如人在赶路，前面有一座大山挡住了去路，那么人如果要前往大山的另外一边，那么你就只能翻过山去。但是对于粒子而言，它可以直接穿过去，即使能量不足，也可以穿山而过。这就是粒子穿墙术——量子隧穿效应。 基本粒子没有形状，没有固定的路径，不确定性是它唯一的属性，既是波，也是粒子，就像是我们对着墙壁大吼一声，即使99.99%的声波被反射，仍会有部分声波衍射穿墙而过到达另一个人的耳朵。因为墙壁是不可能切断物质波的，只能在拦截的过程中使其衰减。 量子的运用 量子科学目前来说，最广泛的应用是量子通信和量子计算机。 因为具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化，利用这个特性实现光量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量（一种操作），则接收方的粒子瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换（相当于逆转变换），即可得到与发送方完全相同的未知量子态。 经典通信较光量子通信相比，其安全性和高效性都无法与之相提并论。安全性-量子通信绝不会“泄密”，量子通信技术被认为是“保障未来信息社会通信机密性和隐私的关键技术”。 从潘建伟教授首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，经过四年时间，2016年，墨子号量子卫星成功发射。 中国科学家15日（当地时间）在美国《科学》杂志上报告说，中国“墨子号”量子卫星在世界上首次实现千公里量级的量子纠缠，这意味着量子通信向实用迈出一大步。 目前，量子号还要实现基于纠缠的量子密钥分发，量子密钥分发是利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息。 量子密码学的核心就是量子密钥分发，它是利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息。 在这里我们要着重指出： 怎么样能够产生量子纠缠呢？现在科学家已经掌握许多制备量子纠缠的方法和途径。最常用的是将一束激光照射到非线性晶体上便能产生纠缠光子对。所以人是不可能仅仅通过翻书就产生量子纠缠的，任何宣称利用了量子纠缠原理的基本都可以判定为骗子。 因为量子叠加的特性，这种纠缠光子源属概率性的。这种参量下转换产生的许许多多光子对中才会有一对光子是纠缠的，人们甚至无法预先知道哪一对是纠缠光子，只能采用能确定纠缠的探测装置来加以识别，但一旦确认该光子对是纠缠的，纠缠也会因此测量而消失。这也导致现在目前量子通信的应用还存在一些缺陷。 而量子计算则被认为是第四次工业革命的引擎，目前，科学界普遍认为，第四次工业革命将会在核聚变、量子技术、5G、人工智能、基因工程这5者之中诞生。 目前来说，经典计算机的发展已经陷入瓶颈，随着晶体管体积不断缩小，计算机可容纳的元器件数量越来越多，产生的热量也随之增多。其次，随着元器件体积变小，电子会穿过元器件，发生量子隧穿效应，这导致了经典计算机的比特开始变得不稳定。 晶体管 科学家认为量子计算机可以突破目前的困境，量子计算是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。 传统计算机每比特非0即1，而在量子计算机中，量子比特因为量子叠加的特性，可以以处于即是0又是1的量子叠加态，这使得量子计算机具备传统计算机无法想象的超级算力。 举个例子，如果x=0，运行A；如果x=1，运行B。 传统计算机永远只会一次执行一种逻辑分支，要么A，要么B，要么两种情况各运行一次。 但在量子计算机中，变量X是量子叠加态，既为1，又为0，因此它可以在一次计算中同时执行A和B。这就是我们说的量子比特或者叫量子位。成为了量子信息的计量单位。 做个总结，传统计算机使用0和1，量子计算机也是使用0跟1，但与之不同的是，其0与1可同时计算。古典系统中，一个比特在同一时间，不是0，就是1，但量子比特是0和1的量子叠加。这是量子计算机计算的特性。 所以如果我们将量子比特的数量增加到10个，那么传统计算机需要计算2^10=1024次。量子计算机需要计算多少次呢？ 还是1次。 我们再把量子比特数加到100个、1000个、10000个乃至更多，看出差距了吗？现有计算机要运行上万年的工作量，量子计算机只用几分钟就能搞定。 目前全球都在想要去掌握量子计算机，因为它将会在核试爆模拟、现代武器装备研制，航天卫星等国防科技领域发挥重要作用，其次它也会在诸如气象，物理，探测，材料科学与计算纳米技术、人工智能、深入学习、生物医药、基因工程、金融分析等新兴领域发挥着重要的作用，在未来的 5G 甚至 6G 时代，它还将发展为共享服务器云计算的形式，发挥它极强运算速度和大批量数据处理的优势。 所以，我们要明白网络上流传什么“量子肥料”、“量子水”、“量子接骨”“量子波动速读”等都是属于忽悠人的词，量子纠缠的特性并不是这样使用的，像科普作家张轩中就指出： 量子纠缠与量子波动这些概念，与人脑的联系还没有研究清楚。人的大脑的记忆行为，一般认为与神经网络中的神经元回路有关，在图论上叫做环路。这是复杂系统或者说系统科学研究的内容，目前量子力学还用不上这个领域。 最后说一下，教育孩子不能急功近利，在如今高压力的社会下，家长想要孩子成才是可以理解的，但是不能揠苗助长，从而掉入了陷阱，从而给孩子起到一个不好的导向作用。 走进神秘的量子世界 经济日报·2020-10-25 11:48 日前，中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习量子科技成为舆论关注的热点话题。这一引发广泛热议的新晋“网红”究竟是“何方神圣”，为何会受到全世界高度关注，在现实生活中又有何应用前景？经济日报记者带您一起走近量子科技。 认识量子科技先要从量子说起。量子是什么？根据量子理论，量子是构成物质的最基本单元，是能量的最基本携带者，不可分割。一个事物如果存在最小不可分割的基本单位，我们就可以说它是量子化的，并把最小单位称为量子。所有人们熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都是量子的一种表现形态。 什么是量子 中国科学院物理所研究员曹则贤在2020年跨年科学演讲中曾打过这样一个比方：我们生活中可以见到的、感知到的事物，包括光与能量的最小单位都能称之为量子。就像我们远处看鱼群是乌泱乌泱的一片黑，但是放大了看就是一条条鱼，这就可以说是鱼群的量子。 中国科学技术大学副研究员、科普专家袁岚峰在媒体上这样撰文解释：量子的本意是个数学概念，简言之就是“离散变化的最小单元”。什么叫“离散变化”？袁岚峰这样撰文解释：我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人、三分之一个人。我们上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，不能上半个台阶、三分之一个台阶。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说，一个人就是一个量子。对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是“量子化”的。 与我们认识的宏观世界不同，人们发现在量子这一微观世界中许多实验现象违背常识，完全无法用经典物理学诠释。比如，根据经典物理学，一个客体的状态（用 0和1 表示）就像最简单的二进制开和关，只能处于开或者关中的某一个状态，即要么是 0要么是 1，这就好比一只猫，要么是生要么是死不能同时“又生又死”。 然而，这一理论并不适用于量子世界。在量子世界中，一只猫可以处于又生又死的叠加状态。这种所谓的量子相干叠加正是量子世界与经典世界的根本区别。更为神奇的是，这种叠加状态极其脆弱，一旦有人去测量，它就会立刻从叠加状态变为确定状态。 美国物理学家、诺贝尔奖获得者穆雷·盖尔曼曾发出如是感慨：量子力学是一个神秘的、令人捉摸不透的学科，我们谁都谈不上真正理解，只是知道怎样去运用它。 量子通信无条件安全 虽然听起来很神秘，其实量子科技距离我们并不遥远。比如，信息时代的关键核心技术，晶体管、固态硬盘、扫描电子显微镜等，即是第一代量子技术的代表性成果。今天，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。 中国科学院物理研究所研究员范桁介绍，量子科技主要包含三方面内容，量子计算、量子保密通信与量子精密测量。其中，量子保密通信主要表现为量子秘钥分发。量子精密测量主要以利用量子效应实现超越经典方法的精密测量为主，具有广泛应用价值。量子计算是量子科技重要组成部分，也是最具挑战的目标，被认为是下一代信息产业制高点，意义重大。这三方面内容也是世界各国量子计划的主要组成部分。 目前，应用最为成熟的当属量子通信。所谓量子通信，简单说就是利用量子力学相关原理解决信息安全问题的通信技术。其中，一个著名原理就是量子纠缠。一般情况下，量子体系中一个物理量的值并不能预先确定，而是依赖于采取何种测量基；进一步，对处于量子纠缠的两个粒子，对其中一个粒子的测量结果会瞬间确定另一个粒子的状态，不论它们相距多么遥远。这一被爱因斯坦称作“鬼魅般的超距作用”，便是量子通信的理论基础。 传统通信方式建立在加密算法或者加密技术基础之上，如果计算能力足够强大破解了加密算法，就有被窃听风险。量子的独有特性，使其具有不可克隆测不准等“先天优势”。用量子做成的“密钥”来传递信息，加密内容不会被破译，窃听者必然会被“抓包”，这为破解信息加密“瓶颈”提供了解决方案。 向着安全通信的梦想努力奔跑——我国于2016年8月份发射的“墨子号”量子科学实验卫星，在2017年星地量子密钥分发的成码率已达到10千比特／秒（kbps）量级，成功验证了星地量子密钥分发的可行性。目前，经过系统优化，密钥分发成码率已经达到100千比特／秒（kbps）量级，具备了初步实用价值。 1120公里！2020年，“墨子号”量子科学实验卫星再立新功：科学家们利用“墨子号”作为量子纠缠源，向遥远的两地分发量子纠缠，在国际上首次实现了千公里级基于纠缠的量子密钥分发——为量子通信走向现实应用奠定了重要基础。 “量子通信克服了经典加密技术内在的安全隐患。因为，其安全性不依赖于计算复杂度，这是原理上无条件安全的一种通信方式。”中国科学院院士潘建伟称。 量子计算潜力无限 除了量子保密通信，科学家们密切关注的另一个重要应用是量子计算机。 在古代，人们就已制造出了可作一定计算的器具与机器。比如，中国发明的算盘，欧洲早期发明的各种计算器械。现代意义上世界第一台计算机名为埃尼阿克，它重达27吨，占地150多平方米，在1945年建造成功，目的是计算炮弹弹道。冯诺依曼1945年明确提出了存储程序通用计算机方案，规划了电子计算机架构，使得计算机可以被广泛应用。 “但是，现有计算机基于微处理器芯片摩尔定律，这无疑会碰到技术瓶颈，于是人们开始思考建造一种全新计算机——量子计算机。”根据范桁的介绍，量子计算机的运行遵循量子力学原理，以量子比特为基本信息单元，以量子纠缠、相干叠加和量子测量为特色，其发展也将遵循经典计算机类似的轨迹。“不过，我们现在看到的量子计算机原型机功能比较单一，只能模拟某些特定量子过程，或者解决某些简单问题。”范桁说。 如果世界上有量子计算机，我们现有经典计算机能否实现其功能？范桁分享了国际科研进展。2019年，谷歌宣布实现了53个量子比特的超导量子计算在处理随机线路采样问题时，其200秒完成的任务经典计算机要用一万年。目前，超导量子处理器芯片已达到50个至100个量子比特，用经典计算机模拟其功能需要用天河或者太湖之光这样的超级计算机。“多增加一个量子比特，经典计算机资源就需要翻番，这个竞争将不具有持续性。因此，量子计算机的功能不可能用经典计算机来替代。”范桁表示。 不仅如此，与经典算法相比，人们已知运行于量子计算机的某些量子算法具有明显优势。比如，肖尔算法和格罗夫量子搜索，它们都在信息安全方面具有重要应用，这些算法的实用化运行将迅速对现有信息安全体系造成全面冲击。在实用性方面，量子搜索算法可以期望应用于大数据；量子退火算法可以应用于优化问题，比如物流和交通优化等；量子模拟可以被应用于量子化学和量子物理研究，比如生物合成和药物筛选等；量子模拟向量网络态可应用于机器学习和神经网络等。 既然如此强大，量子计算机何时能从梦想照进现实？范桁坦言，量子计算机的研究刚刚起步，距离实用化需要的成千上万个量子比特仍有较大距离。此外，量子计算机的建造兼具工程与科学特色，不可控因素较多，技术上也有瓶颈需要克服。因此，需要各领域专家联合攻关，在集中资源重点突破的同时，兼顾多种技术路线。 比如，IBM等高科技公司逐渐摆脱了单纯科研探索模式，以实用化、集成和综合性为目标，其研发涵盖软硬件各个方向，实现方案大多选择了超导量子计算方案，以提供云量子计算服务，培养量子计算生态作为一个重要的目标中国科学家在超导量子计算方面也有世界性先进成果：中国科学院物理研究所、浙江大学和中国科大等合作，在去年实现了20 超导量子比特的薛定谔猫态制备，创造了固态系统纠缠量子比特数世界纪录。“长期来看，量子计算机功能强大，是下一代信息技术制高点，有望影响人类生活的方方面面，国际竞争不可避免。”范桁说。 |
|
|
