“追夢(mèng)”量子世界

作者簡(jiǎn)介

陳宇翱，“80后”青年科學(xué)家，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室量子物理與量子信息研究部重要研究骨干，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系教授。2013年歐洲物理學(xué)會(huì)授予陳宇翱2013年度“菲涅爾獎(jiǎng)”，以表彰他在光子、冷原子量子操縱和量子信息、量子模擬等領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)。

什么是量子？

什么是量子？它和原子、電子、中子這些客觀存在的粒子一樣也是某一種物質(zhì)實(shí)體嗎？答案是否定的。量子不是一種粒子，我們?cè)谖锢韺W(xué)中提到的量子，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(chēng)為可觀測(cè)物理量）都傾向于不連續(xù)地變化。

例如，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(lèi)似的，例如，在沒(méi)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。除了能量，對(duì)于原子中的電子，其角動(dòng)量也不再是連續(xù)變化的。

20世紀(jì)初，物理學(xué)家普朗克最早猜測(cè)到微觀粒子的能量可能是不連續(xù)的。但是要堅(jiān)持這個(gè)觀點(diǎn)，就意味著背叛經(jīng)典物理學(xué)。保守的普朗克最終放棄了這個(gè)觀點(diǎn)，對(duì)于他而言這是一件極為遺憾的事。然而，大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)迫使物理學(xué)界迅速地接受了這樣的觀點(diǎn)，將其發(fā)展起來(lái)，并結(jié)合其他一些公設(shè)如“量子態(tài)疊加原理”“概率性測(cè)量原理”等，建立了如今的量子物理科學(xué)。

神奇的力量：量子糾纏之謎

量子糾纏是另一種違反經(jīng)典世界常識(shí)的量子現(xiàn)象。其中需要考慮這樣一個(gè)問(wèn)題，兩個(gè)粒子組成的量子體系，它的量子疊加態(tài)會(huì)有什么特殊之處嗎？

量子力學(xué)預(yù)言說(shuō)，可以制備一種兩粒子共同的量子態(tài)，其中每個(gè)粒子狀態(tài)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系不能被經(jīng)典物理學(xué)解釋?zhuān)@稱(chēng)為量子關(guān)聯(lián)，這樣的態(tài)稱(chēng)為兩粒子量子糾纏態(tài)。

愛(ài)因斯坦的相對(duì)論指出：相互作用的傳播速度是有限的，不大于光速。可是，如果將處于糾纏態(tài)中的兩個(gè)粒子分開(kāi)很遠(yuǎn)，當(dāng)我們對(duì)一個(gè)粒子的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，任何相互作用都來(lái)不及傳遞到另一個(gè)粒子上。按道理講，另一個(gè)粒子因?yàn)闆](méi)有受到擾動(dòng)，狀態(tài)不應(yīng)該改變。但是這時(shí)另一個(gè)粒子的狀態(tài)受到關(guān)聯(lián)關(guān)系的制約，已經(jīng)發(fā)生了變化。這一現(xiàn)象被愛(ài)因斯坦稱(chēng)為“詭異的互動(dòng)性”。它似乎違反了愛(ài)因斯坦的“定域因果論”，因此量子糾纏態(tài)的關(guān)聯(lián)被稱(chēng)為非定域的量子關(guān)聯(lián)。

量子糾纏指的就是兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)之間的非定域的量子關(guān)聯(lián)。量子糾纏的非定域性、非經(jīng)典性已由大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。科學(xué)家認(rèn)為，這是一種“神奇的力量”，可成為具有超級(jí)計(jì)算能力的量子計(jì)算機(jī)和量子保密系統(tǒng)的基礎(chǔ)。實(shí)際上，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)量子糾纏還有很多奇妙的應(yīng)用，可以在許多領(lǐng)域中突破傳統(tǒng)技術(shù)的極限。

量子技術(shù)大家族

現(xiàn)在，量子技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)新興的、快速發(fā)展中的技術(shù)領(lǐng)域。其中，量子通信、量子計(jì)算、量子成像、量子測(cè)度學(xué)和量子生物學(xué)是目前取得較大進(jìn)展的幾個(gè)方向。

◆量子通信

廣義的量子通信是指把量子態(tài)從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方，它的內(nèi)容包含量子隱形傳態(tài)、量子糾纏交換和量子密鑰分配。狹義的量子通信實(shí)際上是指量子密鑰分配或者基于量子密鑰分配的密碼通信。

量子態(tài)隱形傳輸一直是學(xué)術(shù)界和公眾的關(guān)注焦點(diǎn)。其基本思想是：將原物的信息分成經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別經(jīng)由經(jīng)典通道和量子通道傳送給接收者。經(jīng)典信息是發(fā)送者對(duì)原物進(jìn)行某種測(cè)量而獲得的，量子信息是發(fā)送者在測(cè)量中未提取的其余信息。而量子通道是指可以保持量子態(tài)的量子特性的傳輸通道。（比如說(shuō)，保偏光纖對(duì)于光子的量子偏振態(tài)而言就是一種量子通道。但在量子態(tài)隱形傳輸中，量子通道的角色是由雙方共享的量子糾纏態(tài)所擔(dān)任的。）接收者在獲得這兩種信息后，就可以制備出原物量子態(tài)的完全復(fù)制品。該過(guò)程中傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而不是原物本身。發(fā)送者甚至可以對(duì)這個(gè)量子態(tài)一無(wú)所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態(tài)上。

當(dāng)隱形傳輸?shù)牧孔討B(tài)是一個(gè)糾纏態(tài)的一部分時(shí)，隱形傳輸就變成了量子糾纏交換。利用糾纏交換，可以將兩個(gè)原本毫無(wú)聯(lián)系的粒子糾纏起來(lái)，在它們之間建立量子關(guān)聯(lián)。

隱形傳態(tài)和糾纏交換可以把物體的量子信息在瞬間精確無(wú)誤地傳送到遙遠(yuǎn)的地方，這看起來(lái)很像科幻電影中的瞬時(shí)傳送，或者電子游戲中的傳送門(mén)之類(lèi)的神奇功能。當(dāng)然，在我們能夠把生命完全分解成量子信息和經(jīng)典信息，并建立足夠多的糾纏資源之前，傳送門(mén)還只是個(gè)美好的幻想。不過(guò)，隱形傳態(tài)和糾纏交換并不僅僅是一個(gè)用來(lái)憧憬美好幻想的奇妙現(xiàn)象，利用它們我們可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子密鑰分配，為全球范圍的通信加上一把安全的“量子鎖”。

現(xiàn)在，實(shí)用的量子通信技術(shù)都基于量子密鑰分配（Quantum Key Distribution），也就是說(shuō)僅使用量子態(tài)產(chǎn)生經(jīng)典密鑰，需要傳遞的經(jīng)典信息則根據(jù)這個(gè)密鑰由經(jīng)典的私鑰加密系統(tǒng)加密。量子通信的安全性保障了密鑰的安全性，從而保證加密后的信息是安全的。不用量子通信的方式傳遞全部經(jīng)典信息的原因是：在目前和可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，這樣做的成本都太昂貴，并且可能反而效率低下、不夠安全。因此，人們決定只利用量子通信來(lái)產(chǎn)生密鑰，以便提高效率。量子密鑰分配還有一個(gè)好處—不需要大面積地改造現(xiàn)有的通信設(shè)備和線路。量子密鑰分配突破了傳統(tǒng)加密方法的束縛，以不可復(fù)制的量子狀態(tài)作為密鑰，具有理論上的“無(wú)條件安全性”。任何截獲或測(cè)試量子密鑰的操作，都會(huì)改變量子狀態(tài)。這樣，截獲者得到的只是無(wú)意義的信息，而信息的合法接收者也可以從量子態(tài)的改變知道密鑰曾被截取過(guò)。最重要的是，與經(jīng)典的公鑰密碼體系不同，即使實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)甚至得到普及，量子密鑰分配仍是安全的。

◆量子計(jì)算

量子計(jì)算是量子物理學(xué)向我們展示的又一種強(qiáng)大的能力。量子計(jì)算的概念最先由Richard Feynman提出，源自于對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)的模擬。在模擬多粒子系統(tǒng)的行為時(shí)，描述系統(tǒng)的希爾伯特空間（Hilbert space）的維數(shù)會(huì)隨著粒子數(shù)目的增加而呈指數(shù)增長(zhǎng)。而當(dāng)需要模擬的粒子數(shù)目很多時(shí)，一個(gè)足夠精確的模擬所需的運(yùn)算時(shí)間則變得相當(dāng)可觀，甚至是不切實(shí)際的天文數(shù)字。例如，考慮模擬一個(gè)由40個(gè)自旋為1/2的粒子構(gòu)成的量子系統(tǒng)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)至少需要的內(nèi)存為1000G比特，而計(jì)算時(shí)間演化則需要求一個(gè)維矩陣的指數(shù)，以目前的經(jīng)典計(jì)算機(jī)水平將無(wú)法勝任此類(lèi)任務(wù)。Feynman提出，如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬量子現(xiàn)象則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少，量子計(jì)算機(jī)的概念由此誕生。

◆量子成像

量子成像是從利用量子糾纏成像開(kāi)始逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新的成像技術(shù)。量子成像利用光學(xué)成像和量子信息進(jìn)行并行處理，與經(jīng)典成像相比，兩者獲取物體信息的物理機(jī)制、理論模型、具體光學(xué)系統(tǒng)以及成像效果均不相同。量子成像增加了輻射場(chǎng)空間漲落這一獲取目標(biāo)圖像及控制圖像質(zhì)量的新的獨(dú)立信息通道。限制經(jīng)典成像質(zhì)量和精度的光場(chǎng)量子漲落這一因素，在量子成像中反而扮演著獲取目標(biāo)圖像信息的重要角色。同時(shí)，量子成像在成像探測(cè)靈敏度、成像系統(tǒng)分辨率、掃描成像速率等方面均可突破經(jīng)典成像的極限。

量子成像中有一種比較奇妙的現(xiàn)象，被稱(chēng)為鬼成像或者關(guān)聯(lián)成像、符合成像。與經(jīng)典光學(xué)成像只能在同一光路得到該物體的像不同，鬼成像可以在另一條并未放置物體的光路上再現(xiàn)該物體的空間分布信息。將糾纏光子對(duì)的雙光子分別輸入兩個(gè)不同的線性光學(xué)系統(tǒng)中，在其中一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)（取樣系統(tǒng)）放置待成像的物體，通過(guò)雙光子關(guān)聯(lián)測(cè)量，在另一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)（參考系統(tǒng)）中再現(xiàn)物體的空間分布信息。其所表現(xiàn)出來(lái)的奇特性質(zhì)已經(jīng)成為近年來(lái)量子光學(xué)領(lǐng)域研究前沿的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

◆量子測(cè)度學(xué)

一個(gè)物理量的測(cè)量準(zhǔn)確度最終取決于其測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。時(shí)間頻率利用量子頻標(biāo)作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，而量子頻標(biāo)則是利用原子不同能級(jí)之間躍遷所發(fā)射或吸收的電磁波頻率來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)，由于微觀量子態(tài)的躍遷具有穩(wěn)定不變的周期，從而使得時(shí)間頻率具有較高的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度。量子頻標(biāo)也叫原子鐘，是當(dāng)代第一個(gè)基于微觀量子力學(xué)原理做成的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

自1955年世界上第一臺(tái)原子鐘誕生以來(lái)，其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度在不斷提高。用于量子頻標(biāo)的理想粒子，應(yīng)該是完全孤立的、不受外界干擾的、在自由空間靜止的粒子，但由于原子熱運(yùn)動(dòng)及相互間的作用引起的譜線增寬，若想獲得更準(zhǔn)確的時(shí)鐘，必須使用光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)。

時(shí)間精確測(cè)量與國(guó)防、科技、民生等息息相關(guān)。將長(zhǎng)度、溫度、電壓等物理量轉(zhuǎn)換成頻率量即時(shí)間的倒數(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，就可以提高其他物理量的精確度。理論上所有物理量都能通過(guò)時(shí)間頻率來(lái)進(jìn)行測(cè)量，所有計(jì)量單位都可以通過(guò)時(shí)間頻率來(lái)定義和導(dǎo)出，從而使所有物理量都統(tǒng)一于時(shí)間頻率，這會(huì)大大提高各種物理量的測(cè)量精確度。由于時(shí)間頻率基準(zhǔn)具有最高的準(zhǔn)確度，對(duì)基準(zhǔn)影響因素的研究往往涉及物理學(xué)的前沿，因?yàn)闇y(cè)量精度的細(xì)微提高，常預(yù)示著新的物理發(fā)現(xiàn)，將推動(dòng)整個(gè)物理學(xué)的前進(jìn)。物理學(xué)史上有11個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)與建立時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。時(shí)間頻率信號(hào)涉及國(guó)家安全命脈，可以利用局部停播、偽造誤碼和加載噪聲等手段迷惑與打擊敵人，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)，還可以通過(guò)發(fā)播不同信息碼以限制民用用戶得到高精度的時(shí)間頻率信號(hào)。因此，精密的時(shí)間信號(hào)的使用絕不只是一般的計(jì)量問(wèn)題，而是密切關(guān)系到國(guó)家機(jī)密、國(guó)防事務(wù)等方面。

從全球定位系統(tǒng)（GPS）到國(guó)際守時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，以量子技術(shù)為基礎(chǔ)的光鐘對(duì)時(shí)間頻率的測(cè)量能力目前已初步顯現(xiàn)，其未來(lái)的全部應(yīng)用目前我們還無(wú)法全部預(yù)計(jì)，但是科學(xué)的發(fā)展一再表明，時(shí)間頻率測(cè)量精度每提高一個(gè)量級(jí)，人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)就深入一步。光鐘作為最新、最有力的時(shí)間頻率科學(xué)研究平臺(tái)，將更好地推動(dòng)基礎(chǔ)科學(xué)的研究和發(fā)展。

◆量子生物學(xué)

量子生物學(xué)是利用量子力學(xué)的概念、原理及方法，從分子、原子及電子水平研究生命物質(zhì)和生命過(guò)程的學(xué)科。量子力學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展，吸引著眾多物理學(xué)家和化學(xué)家，促使他們用量子力學(xué)的方法分析生物學(xué)意義上的電子結(jié)構(gòu)，并把結(jié)果和生物學(xué)活性聯(lián)系起來(lái)。例如，早在1938年，R.F.施密特就開(kāi)始了對(duì)致癌芳香烴類(lèi)化合物的研究，試圖說(shuō)明致癌活性與分子的電子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，隨后經(jīng)過(guò)普爾曼等人的研究，它現(xiàn)在已成為量子生物學(xué)中的重要組成部分。

1939年，物理學(xué)家P.Jordan提出了“突變是一種量子過(guò)程”的觀點(diǎn)，薛定諤在《生命是什么》一書(shū)中對(duì)這一觀點(diǎn)進(jìn)行了詳盡的闡述，提出遺傳物質(zhì)是一種有機(jī)分子、遺傳性狀以“密碼”形式通過(guò)染色體而傳遞等設(shè)想。這些設(shè)想通過(guò)脫氧核糖核酸雙螺旋結(jié)構(gòu)模型得到極大的發(fā)展，從而奠定了分子生物學(xué)的基礎(chǔ)。分子的相互作用必然涉及其外圍電子的行為，而能夠精確描述電子行為的手段就是量子力學(xué)。因此量子生物學(xué)是分子生物學(xué)深入發(fā)展的必然趨勢(shì)，是量子力學(xué)與分子生物學(xué)發(fā)展到一定階段之后相互結(jié)合的產(chǎn)物。

量子生物學(xué)的研究方法基本上就是用量子力學(xué)的方法來(lái)處理一個(gè)微觀體系的全部計(jì)算過(guò)程，并利用由此得出的各種參量，說(shuō)明研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)、能量狀態(tài)及變化，進(jìn)而解釋其生物學(xué)活性及生命過(guò)程。對(duì)一個(gè)具有生物學(xué)意義的體系，根據(jù)欲研究分子的結(jié)構(gòu)，選定合適的波函數(shù)，代入波動(dòng)方程中并求解，就是將欲研究的生物學(xué)活性轉(zhuǎn)化為量子化的結(jié)構(gòu)模型。計(jì)算結(jié)果可以得到兩類(lèi)不同性質(zhì)的指數(shù)：能量指數(shù)與結(jié)構(gòu)指數(shù)。能量指數(shù)說(shuō)明體系的能量狀態(tài)，如總能量、躍遷能（不同狀態(tài)之間的能量差）、最高填滿分子軌道（電離勢(shì)）與最低空分子軌道（電子親合勢(shì)）等。結(jié)構(gòu)指數(shù)說(shuō)明分子的結(jié)構(gòu)特征，如鍵級(jí)（雙鍵性的大?。?、自由價(jià)（通過(guò)某一原子參與化學(xué)反應(yīng)的能力）、電子電荷等。

只要生物分子本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)或各級(jí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)清楚，就可以研究和這種分子相關(guān)聯(lián)的生物學(xué)活性的本質(zhì)，或者研究它們之間的相互作用。因此，量子生物學(xué)所研究的問(wèn)題實(shí)際上包含了分子生物學(xué)的全部?jī)?nèi)容。例如，重要生物大分子的物理性質(zhì)、各級(jí)結(jié)構(gòu)與功能，酶的結(jié)構(gòu)與催化機(jī)制，致癌物質(zhì)的作用機(jī)制，藥物作用機(jī)制等。我們可以把量子生物學(xué)的內(nèi)容歸納為以下四個(gè)方面：分子間相互作用力的研究、生物分子的電子結(jié)構(gòu)與反應(yīng)活性的研究、生物大分子的構(gòu)象與功能的研究和特異作用與識(shí)別機(jī)制的研究。

量子生物學(xué)還是一門(mén)十分年輕的學(xué)科，國(guó)際量子生物學(xué)會(huì)（簡(jiǎn)稱(chēng)ISQB）于1970年成立。量子生物學(xué)的發(fā)展不僅需要計(jì)算方法的改進(jìn)，還需要與實(shí)驗(yàn)結(jié)果密切配合。到目前為止，量子生物學(xué)還只限于對(duì)較小分子的研究，特別是對(duì)藥物的作用的研究、對(duì)復(fù)雜生物學(xué)問(wèn)題的探討，還有待深入。

（本文內(nèi)容節(jié)選自陳宇翱在“SELF格致論道”公益講壇的主題演講）