日常生活中的量子力學(xué)

張夢(mèng)然++聶翠蓉

“我為我女兒感到幸運(yùn)，她不需要去學(xué)量子力學(xué)”，馬云笑著對(duì)扎克伯格說(shuō)。

2016年3月19日，北京釣魚臺(tái)國(guó)賓館，在一場(chǎng)經(jīng)濟(jì)峰會(huì)上，兩位互聯(lián)網(wǎng)大咖——Facebook創(chuàng)始人扎克伯格和阿里巴巴創(chuàng)始人馬云的對(duì)話受到高度關(guān)注。他們聊到了最近的人機(jī)圍棋大戰(zhàn)、虛擬現(xiàn)實(shí)、創(chuàng)業(yè)潮等熱門話題，除此之外，他們倆還都談到了女兒的教養(yǎng)，扎克伯格第一次回應(yīng)了他給女兒看《給寶寶的量子物理學(xué)》的事，而馬云更是罕見(jiàn)地第一次提到了自己的女兒。

扎克伯格回答馬云，我希望教給她的是一種好奇心，希望她能夠自己主動(dòng)去探索，去不斷學(xué)習(xí)?！督o寶寶的量子物理學(xué)》，我知道女兒可能沒(méi)有看懂。不管她未來(lái)想做什么，我覺(jué)得世界上大部分的變化、變革，都是由于有人來(lái)問(wèn)為什么不能做得更好。這樣的一種價(jià)值觀的疏導(dǎo)，對(duì)于她來(lái)說(shuō)非常有益。

量子力學(xué)，在科學(xué)家愛(ài)因斯坦和玻爾的眼中被看作是“上帝跟宇宙玩擲骰子”的學(xué)科。

它帶來(lái)了許許多多令人震驚不已的結(jié)論。例如，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，電子的行為同時(shí)帶有波和粒子的雙重特征（波粒二象性），但僅僅是加入了人類的觀察活動(dòng)，就足以立刻改變它們的特性；此外還有相隔千里的粒子可以瞬間聯(lián)系（量子糾纏）；不確定的光子可以同時(shí)去向兩個(gè)方向（海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理）；更別提那只理論假設(shè)的貓既死了又活著（薛定諤的貓）……

這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)基本與人們習(xí)慣的邏輯思維相違背，以至于愛(ài)因斯坦不得不感嘆道：“量子力學(xué)越是取得成功，它自身就越顯得荒誕?！边^(guò)去的一百年里，量子力學(xué)已經(jīng)為人類帶來(lái)了太多革命性的發(fā)明創(chuàng)造。感慨之余，人們發(fā)現(xiàn)，量子力學(xué)已經(jīng)存在于日常生活中。

不確定的量子，極其確定的時(shí)鐘

作為普通人，一般是不會(huì)介意自己的手表快了半分鐘，還是慢了十幾秒。但是，如果是像美國(guó)海軍氣象天文臺(tái)那樣為一個(gè)國(guó)家的時(shí)間負(fù)責(zé)的組織，那么這半分半秒的誤差都是不被允許的。好在這些重要的組織單位都能夠依靠原子鐘來(lái)保持時(shí)間的精準(zhǔn)無(wú)誤。這些原子鐘比之前所有存在過(guò)的鐘表都要精確。其中最強(qiáng)悍的是一臺(tái)銫原子鐘，能夠在2000萬(wàn)年之后，依然保持誤差不超過(guò)1秒。

看到這種精確得能讓人紊亂的鐘表后，你也許會(huì)疑惑：難道真的有什么人或者什么場(chǎng)合會(huì)用到它們？答案是肯定的，確實(shí)有人需要。比如航天工程師在計(jì)算宇宙飛船的飛行軌跡時(shí)，必須清楚地了解目的地的位置。不管是恒星還是小行星，它們都時(shí)刻處在運(yùn)動(dòng)當(dāng)中。同時(shí)距離也是必須考慮的因素。一旦將來(lái)我們飛出了所在星系的范圍，留給誤差的邊際范圍將會(huì)越來(lái)越小。

那么，量子力學(xué)又與這些有什么關(guān)系呢？對(duì)于這些極度精準(zhǔn)的原子鐘來(lái)說(shuō)，導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的最大敵人，是量子噪聲。它們能夠消減原子鐘測(cè)量原子振動(dòng)的能力?，F(xiàn)在，來(lái)自德國(guó)大學(xué)的兩位研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出通過(guò)調(diào)整銫原子的能量層級(jí)來(lái)抑制量子噪聲程度的方法。他們目前正在試圖將這一方法應(yīng)用到所有原子鐘上去。畢竟科技越發(fā)達(dá)，對(duì)準(zhǔn)時(shí)的要求就越高。

量子密碼之戰(zhàn)無(wú)不勝

斯巴達(dá)人一向以戰(zhàn)斗中的勇敢與兇猛聞名于世，但是人們并不能因此而輕視他們?cè)谥\略方面的才干。為了防止敵人事先得知自己的軍事行動(dòng)，斯巴達(dá)人使用一種被稱作密碼棒的東西來(lái)為機(jī)密信息加密和解密。他們先將一張羊皮紙裹在一根柱狀物上，然后在上面書寫信息，最后再將羊皮紙取下。借助這種方式，斯巴達(dá)的軍官能夠發(fā)出一條敵人看起來(lái)語(yǔ)無(wú)倫次的命令。而己方人員只需再次將羊皮紙裹在同等尺寸的柱狀物上，就能夠閱讀真正的命令。

斯巴達(dá)人樸素的技巧，僅僅是密碼學(xué)漫長(zhǎng)歷史的開(kāi)端。如今，依靠微觀物質(zhì)一些奇異特性的量子密碼學(xué)，已經(jīng)公開(kāi)宣稱自己無(wú)解。它是一種利用量子糾纏效應(yīng)、基于單光子偏振態(tài)的全新信息傳輸方式。其安全之處在于，每當(dāng)有人闖入傳輸網(wǎng)絡(luò)，光子束就會(huì)出現(xiàn)紊亂，每個(gè)結(jié)點(diǎn)的探測(cè)器就會(huì)指出錯(cuò)誤等級(jí)的增加，從而發(fā)出受襲警報(bào)；發(fā)送與接收雙方也會(huì)隨機(jī)選取鍵值的子集進(jìn)行比較，全部匹配才認(rèn)為沒(méi)有人竊聽(tīng)。換句話說(shuō)，黑客無(wú)法闖入一個(gè)量子系統(tǒng)同時(shí)不留下干擾痕跡，因?yàn)閮H僅嘗試解碼這一舉動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致量子密碼系統(tǒng)改變自己的狀態(tài)。相應(yīng)的，即便有黑客成功攔截獲得了一組密碼信息的解碼鑰匙，那他在完成這一舉動(dòng)的同一時(shí)刻，也導(dǎo)致了密鑰的變化。因而當(dāng)合法的信息接收者檢查鑰匙時(shí)，就會(huì)輕易發(fā)現(xiàn)端倪，進(jìn)而更換新的密鑰。

想知道什么是真正的瞬時(shí)通信嗎

量子力學(xué)在過(guò)去的歲月里為人們帶來(lái)的成就彌足珍貴，但科學(xué)家們有理由相信，其在未來(lái)會(huì)奉獻(xiàn)得更多。

現(xiàn)在，當(dāng)你在手機(jī)、短信、郵件以及MSN、飛信等等諸如此類的通信工具之間徜徉時(shí)，可能以為自己已經(jīng)被所謂的“瞬時(shí)通信”覆蓋。實(shí)際上，你發(fā)出的聲音、文字、圖像都需要一點(diǎn)時(shí)間才能到達(dá)目的地，或長(zhǎng)或短而已?，F(xiàn)在的人們?nèi)粘Ｋ苡玫降耐ㄐ欧绞?，所需時(shí)間都極其短，但在很遠(yuǎn)的未來(lái)，人和人之間的交流不會(huì)只限于大洲與大洲之間，而可能需要橫跨星系，這就使通信時(shí)間大大增加——譬如說(shuō)，在2012年8月6日，“好奇”號(hào)火星探測(cè)器登陸火星，傳回的信號(hào)到達(dá)地球就有十幾分鐘的延遲。但這還只是在太陽(yáng)系中地球和火星的距離，如果將距離延伸得更遠(yuǎn)，那么科學(xué)家們認(rèn)為，只有量子力學(xué)才有能力真正實(shí)現(xiàn)“即時(shí)”的通信，無(wú)論距離多遠(yuǎn)。

繼2016年發(fā)射后，世界首顆量子通信衛(wèi)星“墨子號(hào)”再次引起世人關(guān)注。最新一期《科學(xué)》雜志刊登了中國(guó)科技大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)的重要論文，稱“墨子號(hào)”成功將糾纏光子傳回地面并在相距1203公里的基地間保持糾纏不變，從而創(chuàng)造了量子糾纏距離的新紀(jì)錄。

奧地利維也納大學(xué)量子物理學(xué)專家安東·塞林格認(rèn)為，這是一項(xiàng)非常重要的成就，他認(rèn)為我國(guó)已經(jīng)真正掌握了從衛(wèi)星到地面的量子糾纏分發(fā)技術(shù)，向?qū)崿F(xiàn)全球范圍安全量子通信甚至量子網(wǎng)絡(luò)邁出了重要的第一步。

量子通信有多種不同方式，目前普遍報(bào)道的是量子密鑰分發(fā)，即通過(guò)量子的手段在通信雙方之間安全分發(fā)和共享隨機(jī)密鑰。而量子安全直接通信的不同之處在于，它不需要通信雙方事先共享密鑰而直接傳輸機(jī)密信息。如果存在竊聽(tīng)，可以通過(guò)安全性檢測(cè)發(fā)現(xiàn)。

遠(yuǎn)距傳輸從科幻到現(xiàn)實(shí)

科幻片尤其是太空題材的，最愛(ài)遠(yuǎn)距傳輸：偌大的一個(gè)人，在一個(gè)地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方瞬間出現(xiàn)。

遠(yuǎn)距離傳輸就是量子態(tài)隱形傳輸，是在無(wú)比奇特的量子世界里，量子呈現(xiàn)的“糾纏”運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。該狀態(tài)的光子如同有“心電感應(yīng)”，能使需要傳輸?shù)牧孔討B(tài)“超時(shí)空穿越”，在一個(gè)地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方瞬間出現(xiàn)。在“超時(shí)空穿越”中它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息，而是量子態(tài)攜帶的量子信息，這些量子信息是未來(lái)量子通信網(wǎng)絡(luò)的組成要素。

此前，IBM團(tuán)隊(duì)的6名工程師證明，遠(yuǎn)距傳輸完全可以實(shí)現(xiàn)，至少?gòu)睦碚撋蟻?lái)講是這樣。但必須注意的是，“原對(duì)象”在此過(guò)程中將消失——因?yàn)檫h(yuǎn)距傳輸可不是“傳真機(jī)”，你原來(lái)那份“文件”是會(huì)被它銷毀的。其貌似“復(fù)制”原物體的過(guò)程，實(shí)際也是對(duì)原物體的一種改變。

2009年，美國(guó)馬里蘭州立大學(xué)聯(lián)合量子研究所的科學(xué)家進(jìn)行的“量子信息處理”實(shí)驗(yàn)中，成功地實(shí)現(xiàn)了從一個(gè)原子到1米外的一個(gè)容器里的另一個(gè)原子的量子隱形傳輸。盡管在實(shí)驗(yàn)中是一個(gè)原子轉(zhuǎn)變成另一個(gè)原子，由第二個(gè)原子扮演起第一個(gè)原子的角色，與“原物傳送”的概念不同，但原子對(duì)原子的傳輸，卻對(duì)于研制超密超快的量子計(jì)算機(jī)和量子通信具有重大意義。

沒(méi)錯(cuò)，遠(yuǎn)距傳輸并不僅在傳輸物體這一目標(biāo)上才有價(jià)值，在達(dá)到這一目的之前，通往“圣域”的各項(xiàng)研究也被證明在其他多重領(lǐng)域大有作為。而所有的量子力學(xué)研究，甚至人類所有的科學(xué)活動(dòng)，亦同此理。