六個(gè)問與答帶你了解神奇的量子世界

本刊記者/榮啟涵 吳晶晶 白國(guó)龍

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六個(gè)問與答帶你了解神奇的量子世界

本刊記者/榮啟涵 吳晶晶 白國(guó)龍

科研人員通過地面望遠(yuǎn)鏡模型進(jìn)行講解

還記得這樣的場(chǎng)景嗎？電影中，主人公走入一扇“任意門”，瞬間就穿越來到另一個(gè)空間……

在量子世界里，這或許不是幻想。日前，我國(guó)發(fā)射了全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。記者采訪了量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士、中科院物理所研究員呂力、北京大學(xué)物理系教授劉雄軍，帶你一起走進(jìn)神奇的量子世界。

量子究竟是什么？

量子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小單元，不存在“半個(gè)光子”，同理，也不存在“半個(gè)氫原子”“半個(gè)水分子”等等。量子世界中有兩個(gè)基本原理：

量子疊加，就是指一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。著名的“薛定諤的貓”理論曾經(jīng)形象地表述為“一只貓可以同時(shí)既是活的又是死的”。

量子糾纏，類似孫悟空和他的分身，二者無論距離多遠(yuǎn)都“心有靈犀”。當(dāng)兩個(gè)微觀粒子處于糾纏態(tài)，不論分離多遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子的量子態(tài)做任何改變，另一個(gè)會(huì)立刻感受到，并做相應(yīng)改變。

世界上真有絕對(duì)安全的通信嗎？

這得先說說通信中信息是如何被竊取的。傳統(tǒng)光通信是通過光的強(qiáng)弱變化傳輸信息。從中分出一丁點(diǎn)光并不影響其他光繼續(xù)傳輸信息，測(cè)量這一丁點(diǎn)光原理上就能竊取信息。

量子通信則完全不同！竊聽者如果想攔截量子信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，將不可避免地破壞攜帶密鑰信息的量子態(tài)。根據(jù)量子“測(cè)不準(zhǔn)定理”，這種破壞必然會(huì)被信息發(fā)送者和接收者所發(fā)現(xiàn)。

是否可以不破壞傳輸?shù)牧孔討B(tài)，只截取并復(fù)制，再繼續(xù)發(fā)送？這已被“量子不可克隆定理”完全排除，于是也就保證了量子通信的絕對(duì)安全。

能實(shí)現(xiàn)《星際迷航》里的瞬間移動(dòng)嗎？

“量子態(tài)隱形傳輸”是基于量子疊加和量子糾纏的特性，就是甲地某一粒子的未知量子態(tài)，可以在乙地的另一粒子上還原出來。其實(shí)傳輸?shù)氖橇Ｗ拥牧孔討B(tài)，而不是粒子本身。這種狀態(tài)傳送的速度上限仍然是光速，也不是“瞬間移動(dòng)”。

現(xiàn)在，在光子、原子等層面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳輸。電影里“大變活人”在原理上是允許的，但目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)做不到。因?yàn)榭苹秒娪袄锶说膫魉?，不僅需要把人的實(shí)體部分的大量原子、分子傳送，并且嚴(yán)格按照原來的相對(duì)位置重新排列起來，更何況重現(xiàn)意識(shí)和記憶就更復(fù)雜了。

不過，隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，也許未來我們還是可以實(shí)現(xiàn)人的量子隱形傳態(tài)，到那時(shí)星際旅行就不是夢(mèng)啦。

未來機(jī)器會(huì)不會(huì)像《變形金剛》里一樣被裝上量子大腦？

所謂量子大腦，其實(shí)就是當(dāng)今正在研制中的量子計(jì)算機(jī)。未來的量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)對(duì)人工智能起到極大的幫助，在數(shù)據(jù)搜索、分析和處理方面提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。

機(jī)器人都是預(yù)先設(shè)置好程序的，而人是有意識(shí)和自由意志的。研究發(fā)現(xiàn)，人腦中的思維機(jī)制與量子疊加、量子糾纏或許存在相似之處。所以也有學(xué)者認(rèn)為，未來可望創(chuàng)造出與人腦一樣運(yùn)行的人工智能機(jī)器人。真到這種程度，機(jī)器與生物之間的界限已經(jīng)非常模糊。這目前還只是一種暢想，未來究竟怎樣還得拭目以待。

量子技術(shù)什么時(shí)候才能飛入尋常百姓家？

量子通信目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在金融、政務(wù)系統(tǒng)等中的使用。要讓每個(gè)人都用上，樂觀的話需要10到15年。這需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造，還涉及到標(biāo)準(zhǔn)制定。到時(shí)候，個(gè)人的網(wǎng)上銀行、手機(jī)支付、信用卡等就再也不怕被盜號(hào)，“棱鏡門”那樣的泄密事件也不會(huì)發(fā)生了。

而量子計(jì)算目前仍然處于基礎(chǔ)研究的階段，前進(jìn)道路上還面臨著巨大的挑戰(zhàn)，不知道在二三十年的時(shí)間內(nèi)能否實(shí)現(xiàn)初步應(yīng)用。一旦取得進(jìn)展，其意義將是極其重大的。

量子科學(xué)和技術(shù)究竟將帶來一個(gè)怎樣的未來？

量子科學(xué)和技術(shù)其實(shí)已經(jīng)在方方面面影響著我們的日常生活。我們目前正在廣為使用的計(jì)算機(jī)、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)航，包括醫(yī)院里的磁共振成像等等，無一不得益于量子科學(xué)和技術(shù)。

用發(fā)展的眼光看，隨著微納加工、超冷原子量子調(diào)控等技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類將能夠制備出越來越復(fù)雜、功能越來越強(qiáng)大的各種人造量子系統(tǒng)，例如包括量子計(jì)算機(jī)芯片在內(nèi)的各種量子電路，其功能和信息處理能力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們目前正在使用的經(jīng)典芯片，并且更加節(jié)能；再如可望制備出達(dá)到量子極限的能量收集和轉(zhuǎn)換器件，將引發(fā)能源變革；也有望大幅提升對(duì)時(shí)間、位置、重力等物理量超高精度的測(cè)量，不僅實(shí)現(xiàn)超高精度的潛艇定位、醫(yī)學(xué)檢測(cè)等，也將加深對(duì)物理學(xué)基本原理的認(rèn)識(shí)。

總之，量子科學(xué)和技術(shù)的廣泛應(yīng)用最終將把人類社會(huì)帶入到量子時(shí)代，實(shí)現(xiàn)更高的工作效率、更安全的數(shù)據(jù)通信，以及更方便和更綠色的生活方式。