神秘的量子世界

神秘的量子世界令人著迷，亦令人困惑。但對(duì)我們而言，量子世界的威力已變得不再陌生

如果有人說(shuō)，在物理世界中有一個(gè)百歲的“幽靈”，你會(huì)相信嗎？

一百多年前，愛因斯坦也曾一直為這個(gè)“幽靈”——量子理論產(chǎn)生的種種現(xiàn)象所困惑。

如今，愛因斯坦逝世已逾六十載，可謎團(tuán)仍未完全破解。因此，可以毫不夸張地說(shuō)，量子理論就是這么一個(gè)“幽靈”。

在量子理論對(duì)世界的描述中，一個(gè)物體可以同時(shí)處于多個(gè)位置，粒子也可以無(wú)阻礙似地穿過障礙物，所有的物體都有“波粒二象性”，它既是粒子又是波，兩個(gè)分得很開的物體也可以進(jìn)行某種類似“精神性”的合作……

這些描述聽上去令人毛骨悚然，不可捉摸。難怪量子理論創(chuàng)立者之一的玻爾說(shuō)過：“如果一個(gè)人沒有被量子力學(xué)所震驚，那么他就沒有真正懂得量子力學(xué)?！?/p>

什么是“量子”

“量子”不是一種粒子，它是一個(gè)能量的最小單位。所有的微觀粒子（包括分子、原子、電子、光子）都是量子的一種表現(xiàn)形態(tài)。

眾所周知，世界是由微觀粒子組成的。因此從某種意義上來(lái)說(shuō)，世界本身就是由量子組成的。在物理學(xué)中提到“量子”時(shí)，實(shí)際上指的是微觀世界的一種行為傾向：物質(zhì)或者說(shuō)粒子的能量和其他一些性質(zhì)（統(tǒng)稱為可觀測(cè)物理量）都傾向于不連續(xù)的變化。

以光為例，我們說(shuō)一個(gè)“光量子”，是因?yàn)橐粋€(gè)光量子的能量是光能量變化的最小單位，光的能量是以光量子的能量為單位一份一份地變化的。其他的粒子情況也是類似的，例如，在沒有被電離的原子中，繞核運(yùn)動(dòng)的電子的能量是“量子化”的，也就是說(shuō)電子的能量只能取特定的離散的值。只有這樣，原子才能穩(wěn)定存在，我們才能解釋原子輻射的光譜。不僅能量，對(duì)于原子中的電子，角動(dòng)量也不再是連續(xù)變化的。

量子物理學(xué)告訴我們，電子繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)也只能處在一些特定的運(yùn)動(dòng)模式上。在這些模式上，電子的角動(dòng)量分別具有特定的數(shù)值，介于這些模式之間的運(yùn)動(dòng)方式是極不穩(wěn)定的。即使電子暫時(shí)以其他的方式繞核運(yùn)動(dòng)，很快就必須回到特定運(yùn)動(dòng)模式上來(lái)。

實(shí)際上在量子物理學(xué)中，所有的物理量的值都可能必須不連續(xù)地、離散地變化。在上世紀(jì)初，物理學(xué)家馬克斯·普朗克最早猜測(cè)到微觀粒子的能量可能是不連續(xù)的。

出生于德國(guó)傳統(tǒng)保守家庭的普朗克從小受到良好的教育，雖然具有音樂天賦，十分迷戀音樂，但仍舊立志獻(xiàn)身于科學(xué)，研究物理。當(dāng)他去慕尼黑大學(xué)時(shí)，一位物理學(xué)教授曾勸說(shuō)他不要學(xué)習(xí)物理，因?yàn)椤斑@門科學(xué)中的一切都已經(jīng)被研究過了，只有一些不重要的空白需要填補(bǔ)”。教授的一席話正代表了當(dāng)時(shí)大多數(shù)物理學(xué)家的心態(tài)。

然而執(zhí)著的普朗克卻表示：“我并不期望發(fā)現(xiàn)新大陸，只希望能理解已經(jīng)存在的美麗的物理理論，或許能將其加深和發(fā)展那么一點(diǎn)點(diǎn)?！泵\(yùn)總是喜歡開玩笑。本來(lái)并未期望在物理研究中“發(fā)現(xiàn)新大陸”的普朗克，卻在不經(jīng)意間成為了量子力學(xué)的創(chuàng)始人。

當(dāng)時(shí)，解釋熱力學(xué)中的輻射問題，主要有瑞利-金斯定律和維恩位移定律，前者適用于低頻輻射，卻無(wú)法解釋高頻率下的測(cè)量結(jié)果；而維恩位移定律可以正確反映高頻率下的結(jié)果，但無(wú)法符合低頻率下的結(jié)果。

如何才能導(dǎo)出一個(gè)新的公式，使得高頻、低頻下都能符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果呢？普朗克使用了一種巧妙新穎的方法：運(yùn)用玻爾茲曼的統(tǒng)計(jì)物理，把光當(dāng)成一個(gè)一個(gè)的諧振子。在他的假設(shè)中，既然輻射的是一個(gè)一個(gè)的諧振子，也就是說(shuō)在黑體輻射時(shí)，能量就不是連續(xù)地，而是一份一份地發(fā)射出來(lái)的。

據(jù)此，普朗克導(dǎo)出了一個(gè)新公式，這個(gè)公式在頻率較小時(shí)自動(dòng)回到瑞利-金斯公式，在頻率較大時(shí)又自動(dòng)回到維恩公式。因此，新公式能在所有的頻率范圍與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合。

1900年12月14日，在柏林亥姆霍茲研究所的德國(guó)物理學(xué)會(huì)上，普朗克宣讀了關(guān)于這一結(jié)果的論文。而這一天也被物理學(xué)家們定為量子力學(xué)的誕生之日。

然而，這一發(fā)現(xiàn)并不是普朗克的初衷。作為一名傳統(tǒng)而保守的物理學(xué)家，他只是按照科學(xué)方法辦事，并未想要掀起一場(chǎng)革命，連他自己都不知道，自己已經(jīng)把量子這個(gè)“妖精”引進(jìn)了物理學(xué)。

普朗克有些后悔，認(rèn)為自己制造的這個(gè)量子“妖精”破壞了物理學(xué)的完美。他曾歷經(jīng)15年的時(shí)間，試圖尋求一種經(jīng)典物理方法來(lái)導(dǎo)出同樣的公式，解決黑體輻射問題，以便挽回“局面”。

然而，他沒有成功。直到1905年，26歲的愛因斯坦利用光量子的假說(shuō)圓滿解釋了光電效應(yīng)；1913年，28歲的玻爾提出了量子化的原子結(jié)構(gòu)理論；1923年，31歲的德布羅意提出了德布羅意波；1925年，24歲的海森堡創(chuàng)立了矩陣力學(xué)；1926年，37歲的薛定諤建立了薛定諤方程……量子力學(xué)才逐漸羽翼豐滿，真正使人們看到了量子概念所閃現(xiàn)的耀眼光芒。

說(shuō)一說(shuō)“量子疊加”

量子有一個(gè)非常奇怪的特性——量子疊加。

什么是量子疊加？經(jīng)典事件里可以用某個(gè)物體的兩個(gè)狀態(tài)代表0或1，比如一只貓，或者是死，或者是活，但不能同時(shí)處于死和活的狀態(tài)中間。

但在量子世界，不僅有0和1的狀態(tài)，某些時(shí)候像原子、分子、光子可以同時(shí)處于0和1狀態(tài)相干的疊加。比如光子的偏振狀態(tài)，在真空中傳遞的時(shí)候，可以沿水平方向振動(dòng)，可以沿豎直方向振動(dòng)，也可以處于45°斜振動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象正是水平和豎直偏振兩個(gè)狀態(tài)的相干疊加。

這種所謂的量子相干疊加是量子世界與經(jīng)典世界的根本區(qū)別。

著名的“薛定諤貓”形象地描述了這個(gè)佯謬。在經(jīng)典世界里，貓要不然是活的，要不然是死的，然而一只量子的貓卻可以處在“死”和“活”的疊加狀態(tài)上。那么這只量子“薛定諤貓”到底是死的還是活的呢？

量子測(cè)量原理給出的答案是，如果你不去看這只貓，它既不是死的也不是活的！如果你去看這只貓，那么它也許是死的，也許是活的！

正因?yàn)橛辛孔盈B加狀態(tài)，才導(dǎo)致量子力學(xué)不確定原理，即如果事先不知道單個(gè)量子狀態(tài)，就不可能通過測(cè)量把狀態(tài)的信息完全讀??；不能讀取就不能復(fù)制。這是量子的兩個(gè)基本特性。

在量子疊加原理基礎(chǔ)之上，衍生出了量子的另一個(gè)奇妙特性，叫做“量子糾纏”。比方說(shuō)，甲、乙兩人分處異地，兩人同時(shí)玩一個(gè)游戲——擲骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6的概率隨機(jī)得到1到6結(jié)果中的某一個(gè)；同時(shí)，乙在另一地?cái)S骰子，盡管兩人每一次單邊結(jié)果都是隨機(jī)的，但每一次的結(jié)果卻是一模一樣的，就好像是雙胞胎心靈感應(yīng)一樣。這就是“量子糾纏”。

若兩個(gè)量子粒子處在特殊的狀態(tài)（俗稱“糾纏態(tài)”）中，不管其空間分離得多遠(yuǎn)，當(dāng)對(duì)其中一個(gè)粒子施行操作或測(cè)量，遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)地發(fā)生相應(yīng)的改變，愛因斯坦稱這個(gè)現(xiàn)象為“幽靈般的超距作用”。當(dāng)時(shí)，愛因斯坦認(rèn)為，怎么會(huì)允許兩個(gè)客體在遙遠(yuǎn)的兩地之間有這種詭異的互動(dòng)呢？據(jù)此，他質(zhì)疑量子理論的完備性。

1982年，法國(guó)物理學(xué)家Alain Aspect和他的小組證實(shí)了“量子糾纏”的超距作用確實(shí)存在。

但直到2015年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)物理學(xué)家Ronald Hanson領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)被他們稱之為“無(wú)漏洞貝爾測(cè)試”的實(shí)驗(yàn)，“幽靈般的超距作用”才得到比較嚴(yán)格的驗(yàn)證。

有了量子糾纏，量子隱形傳輸?shù)母拍畋愫糁觥?/p>

通俗來(lái)講，量子隱形傳輸是將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來(lái)。由于量子力學(xué)的不確定原理和量子態(tài)不可克隆原理，限制我們將原量子態(tài)的所有信息精確地全部提取出來(lái)。因此必須將原量子態(tài)的所有信息分為經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別由經(jīng)典通道和量子通道送到乙地。根據(jù)這些信息，在乙地構(gòu)造出原量子態(tài)的全貌。

1997年，在奧地利留學(xué)的中國(guó)青年學(xué)者潘建偉與荷蘭學(xué)者波密斯特等人合作，首次實(shí)現(xiàn)了未知量子態(tài)的遠(yuǎn)程傳輸。這是國(guó)際首次在實(shí)驗(yàn)上成功地將一個(gè)量子態(tài)從甲地的光子傳送到乙地的光子上。

量子也可以“接地氣”

多年來(lái)，科學(xué)家們努力運(yùn)用量子世界種種奇異的性質(zhì)開拓出適用于經(jīng)典世界的新技術(shù)，將向來(lái)被公眾認(rèn)為高深莫測(cè)“詭異”的量子物理從云端落地到人世間，服務(wù)社會(huì)大眾。

其實(shí)，量子理論是一門非常實(shí)用的學(xué)科。

早在第二次世界大戰(zhàn)之前，它的原理就已經(jīng)被運(yùn)用于分析金屬和半導(dǎo)體的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)。戰(zhàn)后，晶體管和激光器這兩個(gè)運(yùn)用量子理論原理且廣為人知的裝置，更是極大地推動(dòng)了信息革命的發(fā)展。

到本世紀(jì)初，在我們的周圍隨處可見直接或間接運(yùn)用量子理論的技術(shù)和裝置。從常見的CD唱片機(jī)到龐大的現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)、從無(wú)水涂料到激光制動(dòng)車閘、從醫(yī)院的核磁共振成像儀到隧道掃描顯微鏡……量子技術(shù)已經(jīng)滲透到我們的生活中。

另外，計(jì)算能力的飛躍也是量子理論的重要應(yīng)用之一。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中，每個(gè)比特都只有0和1這兩種狀態(tài)。但在量子計(jì)算中，每個(gè)比特可以處在0和1的疊加狀態(tài)，一旦操縱的量子數(shù)目增多，它就會(huì)以指數(shù)增長(zhǎng)的形式來(lái)提升運(yùn)算速度，有并行運(yùn)算的能力。

比如，利用萬(wàn)億次經(jīng)典計(jì)算機(jī)分解300位的大數(shù)需要15萬(wàn)年，利用萬(wàn)億次量子計(jì)算機(jī)，只需要1秒。同樣，在大數(shù)據(jù)和人工智能里，求解一個(gè)億億億變量的方程組，利用目前最快的億億次“天河二號(hào)”計(jì)算機(jī)大概需要100年左右，但是如果利用萬(wàn)億次的量子計(jì)算機(jī)，只需要0.01秒。

量子計(jì)算的應(yīng)用非常廣泛，不僅可以解決大規(guī)模的計(jì)算機(jī)難題，破解經(jīng)典密碼，進(jìn)行氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、金融分析、石油勘探，而且還能揭示新能源新材料、高溫超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)等復(fù)雜的物理機(jī)制。不過，量子糾纏“分身術(shù)”的特性有一個(gè)更為直接的應(yīng)用，便是量子保密通信。

現(xiàn)在被認(rèn)為最安全的信息傳遞方式是光纖通訊。光纜能把所有的光能限制在光纖里，外面得不到能量，所以這個(gè)傳輸被認(rèn)為是安全的。但隨著科技發(fā)展，只需讓光纜泄露哪怕很少一部分能量，我們就能夠竊聽光纜傳遞的信號(hào)。

這是因?yàn)榻?jīng)典通信的信號(hào)只有0和1，發(fā)生竊聽時(shí)，這兩種信號(hào)不會(huì)被擾動(dòng)。比方說(shuō)，兩人打電話時(shí)，他人可通過竊聽器從通信線路中的上千萬(wàn)個(gè)電子中分出一些電子，使其進(jìn)入另一根線路，從而實(shí)現(xiàn)竊聽，而通話者無(wú)法察覺?！袄忡R門”等事件的曝光便是最好的例證。

而量子通信則完全不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題，這是因?yàn)槠涿荑€具有不可復(fù)制性和絕對(duì)安全性。一旦有人竊取密鑰，整個(gè)通信信息就會(huì)“自毀”并告知使用者。比如，甲、乙二人要進(jìn)行安全通信，甲發(fā)出的光子信息狀態(tài)有水平、豎直、45°等，假設(shè)有人竊聽，由于光子不可分割，首先竊聽者根本無(wú)法分割出“半個(gè)光子”；其次，因?yàn)閱未螠y(cè)量測(cè)不準(zhǔn)、不可克隆的量子態(tài)特性，竊聽者無(wú)法復(fù)制信息；倘若竊聽者截獲光子，乙就收不到信息，也就不存在竊聽。

無(wú)論怎樣，根據(jù)量子力學(xué)原理，竊聽都可以被發(fā)現(xiàn)。只要被發(fā)現(xiàn)，原有密鑰立即作廢。甲就可以把沒有被竊聽的密鑰傳送過去，利用產(chǎn)生的密鑰進(jìn)行一次一密完全隨機(jī)的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以實(shí)現(xiàn)安全量子密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)不可破譯的保密通信。

誠(chéng)然，神秘的量子世界令人著迷，亦令人困惑。但對(duì)我們而言，量子世界的威力已變得不再陌生。在人類生活中，手機(jī)、電腦、互聯(lián)網(wǎng)等這些來(lái)自量子世界的果實(shí)無(wú)處不在。然而，人們所感受到的量子技術(shù)還只是冰山一角。在探求量子世界奧秘的旅程中，人們?nèi)栽谧巫我郧蟆?/p>