科普：量子是什么?從微觀世界規(guī)律到人類新物理革命

19世紀(jì)末，歐洲一些學(xué)者認(rèn)為從牛頓力學(xué)到熱力學(xué)、電磁理論，人類的“物理學(xué)大廈”已全部建成，再?zèng)]有多少可研究的了。

但是，在1900年，德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克提出了量子理論，為人類開(kāi)啟了探索“微觀世界規(guī)律”的“新物理革命”。量子理論也與相對(duì)論一起，成為現(xiàn)代物理學(xué)兩大支柱。

打開(kāi)“量子之門(mén)”：微觀世界里的奇妙“疊加”與“糾纏”

量子是什么?根據(jù)量子理論，量子是最小的、不可再分割的能量單位。我們中學(xué)物理書(shū)上提到的分子、原子、電子，其實(shí)都是量子的不同形式?？梢哉f(shuō)，我們的世界由量子組成，我們每個(gè)人都是“24K”純量子產(chǎn)品。

在我們?nèi)粘Ｉ畹暮暧^世界里，物體的位置、速度等，都可以通過(guò)經(jīng)典力學(xué)精確測(cè)算。但在微觀量子世界里，卻有著截然不同的奇妙物理規(guī)則，最有代表性的是“疊加”與“糾纏”。

在宏觀世界，任何物體在某一時(shí)刻都有確定的狀態(tài)和位置。但在微觀世界，量子卻同時(shí)處于多種狀態(tài)和多個(gè)位置的“疊加”。

物理學(xué)家薛定諤曾用一只貓比喻量子疊加：箱子里有一只貓，在宏觀世界中它要么是活的，要么是死的。但在量子世界中，它可以同時(shí)處于生和死兩種狀態(tài)的疊加。

如果用一個(gè)人來(lái)比喻，他不僅同時(shí)處于生和死兩種狀態(tài)的疊加，還可以同時(shí)身處多個(gè)地點(diǎn)，比如既在北京又在上海。

更難以想象的是，量子的狀態(tài)還經(jīng)不起“看”：如果你去測(cè)量，它就會(huì)從多個(gè)狀態(tài)、多個(gè)位置，變成一個(gè)確定的狀態(tài)和位置了。也就是說(shuō)，如果你打開(kāi)“薛定諤的箱子”，貓的疊加態(tài)就會(huì)消失，你會(huì)看到一只活貓或一只死貓。而“量子人”的“分身術(shù)”也會(huì)消失，他會(huì)出現(xiàn)在北京或上海。

疊加已經(jīng)很奇妙，但當(dāng)兩個(gè)量子“糾纏”在一起，那種奇怪連愛(ài)因斯坦都難以接受。

根據(jù)量子理論，如果兩個(gè)量子之間形成“糾纏態(tài)”，那么無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)一個(gè)量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)也會(huì)“瞬間”發(fā)生相應(yīng)變化。愛(ài)因斯坦曾把這一現(xiàn)象稱作“鬼魅般的超距作用”。

從“被動(dòng)”到“主動(dòng)”，兩次“量子革命”深刻改變?nèi)祟愇拿?/p>

量子理論誕生一百多年來(lái)，國(guó)際學(xué)界運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)方法檢驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)，量子的奇妙特性客觀存在。

“量子力學(xué)是一個(gè)神秘的、令人捉摸不透的學(xué)科，我們誰(shuí)都談不上真正理解，只是知道怎樣去運(yùn)用它。”美國(guó)物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者穆雷·蓋爾曼曾這樣說(shuō)。

“量子理論的出現(xiàn)，在上世紀(jì)引發(fā)第一次量子革命，催生了現(xiàn)代信息技術(shù)。”中科院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)潘建偉介紹，基于量子理論，核能、激光、半導(dǎo)體等科技得以問(wèn)世，進(jìn)而發(fā)展出計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)等重大應(yīng)用。

進(jìn)入21世紀(jì)，量子領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)、新理論、新技術(shù)密集涌現(xiàn)，預(yù)示著“第二次量子革命”已進(jìn)入加速期、起跑期。

“第二次量子革命的戰(zhàn)鼓已敲響!”英國(guó)《自然》雜志評(píng)論說(shuō)。

“第一次量子革命，人們只問(wèn)量子理論能讓我們做什么，不去問(wèn)為什么，是被動(dòng)的觀測(cè)與應(yīng)用。”中科院院士、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦說(shuō)，第二次量子革命則是主動(dòng)利用量子特性，開(kāi)發(fā)出量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等創(chuàng)新應(yīng)用。

這些應(yīng)用的革命性在哪里?簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子通信可以在理論上做到通信的絕對(duì)保密，量子計(jì)算可以令人類的運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，比如傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要數(shù)萬(wàn)年才能破解的復(fù)雜密碼，量子計(jì)算機(jī)幾秒鐘內(nèi)就能破解。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)最小只能探測(cè)到微米量級(jí)，而量子測(cè)量可以進(jìn)一步精細(xì)千倍、萬(wàn)倍達(dá)到原子量級(jí)。

中國(guó)量子崛起，美好未來(lái)可期

如今，量子科技已成為國(guó)際上風(fēng)起云涌的戰(zhàn)略科研方向。近期，歐盟擬投資80億歐元支持新一代超級(jí)計(jì)算技術(shù)，量子計(jì)算是其中重要內(nèi)容。美國(guó)開(kāi)通國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室網(wǎng)站，并發(fā)布了聚焦八大研究領(lǐng)域的《量子前沿報(bào)告》。

而經(jīng)過(guò)三十多年努力，中國(guó)已崛起為國(guó)際量子科研版圖上的重要力量，在多個(gè)戰(zhàn)略方向上實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑或進(jìn)入第一陣營(yíng)。

近年來(lái)，我國(guó)多次創(chuàng)造量子比特糾纏數(shù)量的世界紀(jì)錄;發(fā)射世界首顆量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，實(shí)現(xiàn)千里糾纏、星地傳密、隱形傳態(tài)三大科學(xué)目標(biāo);開(kāi)通世界首條量子保密通信干線“京滬干線”，實(shí)現(xiàn)世界首次洲際量子保密通信。

當(dāng)前，量子科技已進(jìn)入“產(chǎn)業(yè)化前夜”。展望未來(lái)，量子計(jì)算有望為藥物研發(fā)、能源勘探、金融分析、氣象預(yù)報(bào)等大規(guī)模計(jì)算提供全新方案;量子測(cè)量發(fā)揮測(cè)量精度、靈敏度優(yōu)勢(shì)，有望在科研、醫(yī)療、能源、災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域大顯身手;量子通信融合量子計(jì)算技術(shù)，構(gòu)成高速、安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，與人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)相結(jié)合，可為人類生活增添無(wú)限可能。