“量子力學(xué)在哪

【專(zhuān)家解說(shuō)】：　　一、陌生的量子，不陌生的晶體管

　　美國(guó)《探索》雜志在線(xiàn)版給出的真實(shí)世界中量子力學(xué)的一大應(yīng)用，就是人們?cè)缫巡荒吧木w管。

　　1945年的秋天，美國(guó)軍方成功地制造出世界上第一臺(tái)真空管計(jì)算機(jī)ENIAC。據(jù)當(dāng)時(shí)的記載，這臺(tái)龐然大物總重量超過(guò)30噸，占地面積接近一個(gè)小型住宅，總花費(fèi)高達(dá)100萬(wàn)美元。如此巨額的投入，注定了真空管這種能源和空間消耗大戶(hù)，在計(jì)算機(jī)的發(fā)展史中只能是一個(gè)過(guò)客。因?yàn)楸藭r(shí)，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們已在加緊研制足以替代真空管的新發(fā)明晶體管。

　　晶體管的優(yōu)勢(shì)在于它能夠同時(shí)扮演電子信號(hào)放大器和轉(zhuǎn)換器的角色。這幾乎是所有現(xiàn)代電子設(shè)備最基本的功能需求。但晶體管的出現(xiàn)，首先必須要感謝的就是量子力學(xué)。

　　正是在量子力學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域獲得的突破，斯坦福大學(xué)的研究者尤金·瓦格納及其學(xué)生弗里德里?！と牡靡栽?930年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的性質(zhì)同時(shí)作為導(dǎo)體和絕緣體而存在。在晶體管上加電壓能實(shí)現(xiàn)門(mén)的功能，控制管中電流的導(dǎo)通或者截止，利用這個(gè)原理便能實(shí)現(xiàn)信息編碼，以至于編寫(xiě)一種1和0的語(yǔ)言來(lái)操作它們。此后的十年中，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家制作和改良了世界首枚晶體管。到1954年，美國(guó)軍方成功制造出世界首臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)TRIDAC。與之前動(dòng)輒樓房般臃腫的不靠譜的真空管計(jì)算機(jī)前輩們相比，TRIDAC只有3立方英尺大，耗電不過(guò)100瓦特。今天，英特爾和AMD的尖端芯片上，已經(jīng)能夠擺放數(shù)十億個(gè)微處理器。而這一切都必須歸功于量子力學(xué)。

　　二、量子干涉“搞定”能量回收

　　無(wú)論怎樣心懷尊敬，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，不太容易能把量子力學(xué)代表的理論和它帶來(lái)的成果聯(lián)系在一起，因?yàn)樗麄兟?tīng)起來(lái)就是完全不相干的兩件事。而此“能量回收”就是個(gè)例子。

　　每次駕車(chē)出行，人們都會(huì)不可避免地做一件負(fù)面的事情浪費(fèi)能量。因?yàn)樵谝纥c(diǎn)燃燃料以產(chǎn)生推動(dòng)車(chē)身前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力同時(shí)，相當(dāng)一部分能量以熱量的形式散失，或者直白地說(shuō)，浪費(fèi)在空氣當(dāng)中。對(duì)于這種情況，亞利桑那大學(xué)的研究人員試圖借助量子力學(xué)中的量子干涉原理來(lái)解決這一問(wèn)題。

　　量子干涉描述了同一個(gè)量子系統(tǒng)若干個(gè)不同態(tài)疊加成一個(gè)純態(tài)的情況，這聽(tīng)起來(lái)讓人完全不知所謂，但研究人員利用它研制了一種分子溫差電材料，能夠有效的將熱量轉(zhuǎn)化為電能。更重要的是，這種材料的厚度僅僅只有百萬(wàn)分之一英尺,在其發(fā)揮功效時(shí)，不需要再額外安裝其他外部運(yùn)動(dòng)部件，也不會(huì)產(chǎn)生任何污染。研究團(tuán)隊(duì)表示，如果用這種材料將汽車(chē)的排氣系統(tǒng)包裹起來(lái)的話(huà)，車(chē)輛因此將獲得足以點(diǎn)亮200枚100瓦燈泡的電能盡管理論讓人茫然，這數(shù)字可是清楚明白。

　　該團(tuán)隊(duì)因此對(duì)新型材料的前途充滿(mǎn)信心，確定在其他存在熱量損失的領(lǐng)域，該材料同樣能夠發(fā)揮作用，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，比如光伏太?yáng)能板。而我們只需知道，這都是量子干涉“搞定”的。

　　三、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)介意自己的手表是快了半分鐘，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)，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。

　　看到這種精確的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。它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。

　　四、量子密碼之戰(zhàn)無(wú)不勝篇

　　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(chēng)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(shū)寫(xiě)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)顯得語(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(chēng)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(huà)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)倪端，進(jìn)而更換新的密鑰。

　　量子密碼的出現(xiàn)一直被視為“絕對(duì)安全”的回歸，不過(guò)，天下沒(méi)有不透風(fēng)的墻。擁有1000多年前那部維京時(shí)代海盜史的挪威人，已經(jīng)打破了量子密碼無(wú)解的神話(huà)。借助誤導(dǎo)讀取密碼信息的設(shè)備，他們?cè)诓粐L試解碼的條件下，就獲得了信息。但他們承認(rèn)，這只是利用了現(xiàn)存技術(shù)上的一個(gè)漏洞，在量子密碼術(shù)完善后即可趨避。

　　五、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器：上帝的“量子骰子”

　　所謂的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，并不是老派肥皂劇中那些奇幻神秘的玩意。它們借助量子力學(xué)，能夠召喚出真正的隨機(jī)數(shù)。不過(guò)，科學(xué)家們?yōu)槭裁匆晦o勞苦地深入量子世界來(lái)尋找隨機(jī)數(shù)，而不是簡(jiǎn)單輕松地拋下硬幣、擲個(gè)骰子？答案在于：真正的隨機(jī)性只存在于量子層級(jí)。實(shí)際上只要科學(xué)家們收集到關(guān)于擲骰子的足夠信息，那么他們便能夠提前對(duì)結(jié)果做出預(yù)測(cè)。這對(duì)于輪盤(pán)賭博、彩票甚至計(jì)算機(jī)得出的開(kāi)獎(jiǎng)結(jié)果等等，統(tǒng)統(tǒng)有效。

　　然而，在量子世界，所有的一切都是絕對(duì)無(wú)法預(yù)測(cè)的。馬克斯·普朗克大學(xué)光學(xué)物理研究所的研究人員正是借助這一不可預(yù)知性，制作出了“量子骰子”。他們先是通過(guò)在真空中制造波動(dòng)來(lái)產(chǎn)生出量子噪聲，然后測(cè)量噪聲所產(chǎn)生的隨機(jī)層級(jí)，借此獲得可以用于信息加密、天氣預(yù)演等工作的真正隨機(jī)數(shù)字。值得一提的是，這種骰子被安裝在固態(tài)芯片上，能夠勝任多種不同的使用需求。

　　六、我們與激光險(xiǎn)些失之交臂

　　與量子力學(xué)的經(jīng)歷相似，激光在早期曾經(jīng)也被認(rèn)為是“理論上的巨人，實(shí)際應(yīng)用上的侏儒”。但今天，無(wú)論是家用CD播放器，還是戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，激光已經(jīng)在當(dāng)代人類(lèi)的社會(huì)生活中，占據(jù)了核心地位。不過(guò)，如果不是量子力學(xué)，我們與激光的故事，很可能是以“擦身而過(guò)”而收?qǐng)觥?br>
　　激光器的原理，是先沖擊圍繞原子旋轉(zhuǎn)的電子，令其在重回低能量級(jí)別時(shí)迸發(fā)出光子。這些光子隨后又會(huì)引發(fā)周?chē)脑影l(fā)生同樣的變化，即發(fā)射出光子。最終，在激光器的引導(dǎo)下，這些光子形成穩(wěn)定的集中束流，即我們所看到的激光。當(dāng)然，人們能夠知曉這些，離不開(kāi)理論物理學(xué)家馬克斯·普朗克及其發(fā)現(xiàn)的量子力學(xué)原理。普朗克指出，原子的能量級(jí)別不是連續(xù)的，而是分散、不連貫的。當(dāng)原子發(fā)射出能量時(shí)，是以在離散值上被稱(chēng)作量子的最小基本單位進(jìn)行的。激光器工作的原理，實(shí)際上就是激發(fā)一個(gè)特定量子散發(fā)能量。

　　七、專(zhuān)門(mén)挑戰(zhàn)極端的超精密溫度計(jì)

　　如果用普通的醫(yī)用溫度計(jì)，去測(cè)量比絕對(duì)零度低百分之一的溫度，這支溫度計(jì)的下場(chǎng)可想而知。那么如何去對(duì)付這樣的極端溫度呢？耶魯大學(xué)的研究人員發(fā)明了一支可以對(duì)付這些情況的神奇溫度計(jì)。它不僅在極端環(huán)境中保持堅(jiān)挺，更能夠提供無(wú)比精確的數(shù)值。

　　為制作這種溫度計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)必須重新梳理溫度計(jì)的設(shè)計(jì)思路。比如獲得精確數(shù)值的方式。幸運(yùn)的是，在追尋精確的過(guò)程中，科學(xué)家們借助量子隧道得到了自己想要的答案。就像鉆入山體內(nèi)部而不是在其表面爬上爬下，粒子在穿越勢(shì)壘的過(guò)程中，產(chǎn)生出了量子噪聲。使用研究團(tuán)隊(duì)的量子溫度計(jì)去測(cè)量這些噪聲，便能夠精確地得出實(shí)驗(yàn)物體的溫度。

　　雖然這種溫度計(jì)對(duì)于普通人的日常生活并沒(méi)有太大的意義，但是在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，尤其是那些需要極低溫度環(huán)境的材料實(shí)驗(yàn)室它就可以大展身手了?，F(xiàn)在，研究者們還在努力通過(guò)各種手段提高該溫度計(jì)的精確性，并期望著隨著它應(yīng)用范圍的拓展，更極端的科研環(huán)境都可以從中受益。

　　八、人人都愛(ài)量子計(jì)算機(jī)

　　在1965年發(fā)表的一篇論文中，英特爾公司的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展，做了一些粗陋但卻意義深遠(yuǎn)的預(yù)測(cè)。其中最重要的一條便是日后著名的摩爾定律：每平方英尺集成電路上的晶體管數(shù)量，每18個(gè)月便會(huì)翻兩倍。這一定律對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，但是現(xiàn)在，摩爾定律似乎走到了盡頭，因?yàn)榈?020年，硅芯片將會(huì)達(dá)到自身的物理極限，而隨著晶體管體積的不斷縮小，它們將開(kāi)始遵循量子世界的各種規(guī)律。

　　和量子世界的規(guī)律“抱有敵意”相比，順應(yīng)量子時(shí)代或許才是人們最好的選擇。今天，那些從事量子計(jì)算機(jī)研究的科學(xué)家做的正是這件事情。相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)具有無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)：并行處理。借助并行處理的能力，量子計(jì)算機(jī)能夠同時(shí)處理多重任務(wù)，而不是像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣還要分出輕重緩急。量子計(jì)算機(jī)的這一特性， 注定它在未來(lái)將以指數(shù)級(jí)的速度超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

　　不過(guò)，在量子計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)之前，科學(xué)家們還需要克服一些艱難挑戰(zhàn)。比如，量子計(jì)算機(jī)使用的是比傳統(tǒng)比特存儲(chǔ)能力高出許多的量子比特，但是不幸的是，量子比特非常難以創(chuàng)造出來(lái)，因?yàn)檫@需要多種粒子共同組成網(wǎng)絡(luò)。直到現(xiàn)在，科學(xué)家只能夠一次性將12種粒子纏連起來(lái)。而量子計(jì)算機(jī)若要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，至少需要將這個(gè)數(shù)字增加數(shù)十倍甚至上百倍。

　　九、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)的更多。

　　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(lèi)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)間才能達(dá)到目的地，或長(zhǎng)或短而已?，F(xiàn)在的人們?nèi)粘Ｋ苡玫降耐ㄐ欧绞剑钑r(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)間大大的增加譬如說(shuō)，在今年8月6日，人類(lèi)的“好奇”號(hào)火星車(chē)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，如果將距離延伸的更遠(yuǎn)，那么科學(xué)家們認(rèn)為，只有量子力學(xué)才擁有本事真正實(shí)現(xiàn)“即時(shí)”的通信，無(wú)論距離。

　　使瞬時(shí)通信成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵，在于被稱(chēng)為量子糾纏的量子力學(xué)現(xiàn)象愛(ài)因斯坦稱(chēng)其為“幽靈般的遠(yuǎn)距作用”，指處于糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子即使距離遙遠(yuǎn)，也保持著特別的關(guān)聯(lián)性，對(duì)一個(gè)粒子的操作會(huì)影響到另一個(gè)粒子。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，當(dāng)其中一個(gè)粒子被測(cè)量或者觀測(cè)到，另一個(gè)粒子也隨之在瞬間發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)改變。這種仿佛“心電感應(yīng)”般的一致行動(dòng)，已超出了經(jīng)典物理學(xué)規(guī)則的解釋范疇，因此才被愛(ài)因斯坦視作鬼魅。但利用量子糾纏，我們可以操縱其中一個(gè)粒子引起對(duì)應(yīng)粒子的即時(shí)、相應(yīng)變化，從而完成收發(fā)“宇宙郵件”的動(dòng)作。

　　不過(guò)，這一應(yīng)用還面臨著最大的問(wèn)題：一些物理學(xué)家堅(jiān)持認(rèn)為糾纏的粒子實(shí)際上并不能傳送信息。如果是這樣的情況，那我們的名單中的下一個(gè)項(xiàng)目，則永遠(yuǎn)不會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

　　十、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?lèi)?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(xiāo)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”的實(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(lèi)所有的科學(xué)活動(dòng)，亦同此理。