通俗解讀量子科技背后的原理

瑞典皇家科學(xué)院近日宣布，將2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國(guó)科學(xué)家約翰·克勞澤和奧地利科學(xué)家安東·蔡林格，以表彰他們?cè)?strong>“糾纏光子實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證違反貝爾不等式和開創(chuàng)量子信息科學(xué)”方面所做出的貢獻(xiàn)。

立于前沿領(lǐng)域，量子科學(xué)歷來(lái)是諾貝爾獎(jiǎng)的常客，從20世紀(jì)早期普朗克等科學(xué)家率先提出，到21世紀(jì)登上新的臺(tái)階，量子在某種意義上解構(gòu)了傳統(tǒng)物理學(xué)，開創(chuàng)了一個(gè)全新的境界，改變了人類對(duì)世界的認(rèn)識(shí)。

近年興起的量子概念，并非是徹頭徹尾的新鮮事物，只是量子科技掀起了新一輪變革而已。人們所熟知的原子彈、激光等技術(shù)，都與量子科技息息相關(guān)。

進(jìn)入新世紀(jì)后，量子科技向著更深層次發(fā)展，如今主要聚焦量子計(jì)算、量子通信、量子測(cè)量。

▲2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主

提到量子計(jì)算，就不得不說(shuō)量子理論中經(jīng)典的不確定性原理，也叫測(cè)不準(zhǔn)原理。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在微觀領(lǐng)域，同時(shí)測(cè)定粒子的位置和速度是不可能的，這令人匪夷所思。

當(dāng)你開車的時(shí)候，當(dāng)然是既知道自己在哪，也能從儀表盤上得知車速有多快。微觀世界卻與之不同，觀測(cè)一個(gè)粒子時(shí)，作為觀測(cè)手段本身的光子，其能量將會(huì)顯著影響到觀測(cè)對(duì)象，比如把觀測(cè)對(duì)象撞飛，肯定就測(cè)不準(zhǔn)了。

受傳統(tǒng)物理學(xué)統(tǒng)治的日常生活，同樣存在不確定性原理，只是對(duì)粒子而言，物體過(guò)于龐大，偏差基本可以忽略不計(jì)，不會(huì)對(duì)生活造成任何影響。

不確定性帶來(lái)新的問(wèn)題，即量子的疊加態(tài)。薛定諤曾提出一個(gè)著名的物理學(xué)假設(shè)：將一只貓放在一個(gè)暗箱中，如果貓觸發(fā)機(jī)關(guān)，將被釋放出的毒氣殺死，反之貓不會(huì)死。

在開箱之前，沒(méi)人能夠斷言貓究竟是死是活，因而，貓?jiān)陂_箱前的狀態(tài)是既死又活的，當(dāng)人們開箱觀測(cè)時(shí)，波函數(shù)瞬間崩塌了，倒向唯一一種結(jié)果。

也就是說(shuō)，在量子理論視域下，微觀世界的運(yùn)動(dòng)在某種程度上取決于觀測(cè)。如果波函數(shù)始終平穩(wěn)，又如果可以準(zhǔn)確地測(cè)定每個(gè)粒子的位置和速度，那么，我們將擁有預(yù)言未來(lái)的能力，顯然，目前是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

但量子疊加態(tài)卻帶來(lái)無(wú)限可能，量子計(jì)算便是最好的例證。亦如貓可以既死又活，在人們沒(méi)有觀測(cè)時(shí)的數(shù)值，也可以既正又負(fù)。

眾所周知，計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制，一切數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言均由0和1組成，引入量子計(jì)算后，一個(gè)量子比特可以同時(shí)是0和1中的任意數(shù)值，也可以隨時(shí)變成兩個(gè)數(shù)中的任意一個(gè)。

這就厲害了，僅是可變的數(shù)值便會(huì)讓計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力暴增。原本一串0和1的組合，能夠被量子放大為無(wú)數(shù)種組合方式，并在同一時(shí)間完成不同運(yùn)算。

據(jù)研究，由1024個(gè)量子組成的量子計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算能力超過(guò)現(xiàn)今世界所有計(jì)算機(jī)的總和，而且，它沒(méi)有理論上限。強(qiáng)大的運(yùn)算能力若經(jīng)合理開發(fā)運(yùn)用，人類科技或許將實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

▲量子計(jì)算（概念圖）

量子通信是另一項(xiàng)令人驚嘆的科技，如若成真，信息技術(shù)將達(dá)到前所未有的速度。

目前認(rèn)為，光速是宇宙的極限，在理論上是不可超越的。真空中每秒能飛越30萬(wàn)公里的光，給了人們的生活以極大便利，實(shí)際發(fā)生的和肉眼所看到的，幾乎別無(wú)二致。

即便遠(yuǎn)隔重洋召開視頻會(huì)議，也在光纜或無(wú)線電通信的加持下實(shí)現(xiàn)即時(shí)交流，但若離開地球，置身浩瀚的宇宙，光速就顯得不那么快了。

美國(guó)“阿波羅計(jì)劃”登月過(guò)程中，地月間通信延遲1.2秒，因?yàn)樾盘?hào)要飛過(guò)約38.5萬(wàn)公里方能到達(dá)地球。

1.2秒不會(huì)對(duì)通信造成過(guò)大影響，相比之下，已飛抵太陽(yáng)系邊緣（不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼f(shuō)法）的旅行者1號(hào)算是個(gè)更好的例子，后者與地球通信一次，需耗時(shí)17小時(shí)。

量子通信或?qū)⒏淖冞@一狀況。除了疊加態(tài)，量子還存在糾纏態(tài)，通俗地說(shuō)，一些量子可以成對(duì)出現(xiàn)，并呈現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的形態(tài)。

好比一枚硬幣，正反兩面是疊加的，同時(shí)也是糾纏的，正面朝向天空，反面一定被壓在地面。量子理論中，糾纏的量子可以近在咫尺，亦可以遠(yuǎn)在天涯。

假如地球上一個(gè)量子與銀河系另一側(cè)的一個(gè)量子構(gòu)成糾纏關(guān)系，那么從地球上的量子狀態(tài)，就能夠知道遠(yuǎn)在銀河系另一側(cè)量子的狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程沒(méi)有任何時(shí)差。

這意味著，量子通信突破了光速。需要說(shuō)明的是，不是量子運(yùn)動(dòng)的速度超過(guò)了光速，而是量子糾纏的特性避開了光速限制，它們傳遞信息時(shí)沒(méi)有途經(jīng)任何通道和介質(zhì)。

其實(shí)，量子通信技術(shù)已得到部分運(yùn)用，主要集中在密碼學(xué)方面，為通信的安全性提供了強(qiáng)大保障，但我們距離真正的量子通信還有很遠(yuǎn)。

得益于量子的不確定性，未來(lái)，信息的傳遞將難以被竊聽，因?yàn)橥晖耆牧孔油ㄐ艣](méi)有傳輸媒介，根本找不到截獲的路徑，即便截獲，信息將在被觀測(cè)時(shí)瞬間崩塌，非法觀測(cè)者得到的，將是不準(zhǔn)確的信息。

▲量子通信（概念圖）

現(xiàn)今，雖然對(duì)量子科技研究取得了顯著進(jìn)展，但與上述這些超越想象的運(yùn)用仍有很大差距，甚至有如電報(bào)發(fā)明伊始和智能手機(jī)普及之間的跨度，不過(guò)，相信這些前沿科技終有一天能夠成為人們生活的常態(tài)。

有些人要問(wèn)了，據(jù)說(shuō)量子科技可以使人與物實(shí)現(xiàn)“幻影移形”？這個(gè)認(rèn)識(shí)存在誤區(qū)，量子通信只傳遞信息，而非量子自身的位移，所以從現(xiàn)階段的研究看來(lái)，用量子傳遞實(shí)體是不科學(xué)的說(shuō)法。

至于未來(lái)是否能夠通過(guò)量子或更前沿的科技達(dá)到瞬移或超越光速，也不是完全不可能，這需要進(jìn)一步探索。

還有一些市面上炒作的“量子”科技，比如量子水等保健用品，無(wú)非是打著科學(xué)的旗號(hào)和噱頭搞營(yíng)銷，甚至可以稱之為詐騙。如此厲害的科技，軍方都沒(méi)有推廣運(yùn)用，怎么可能給老百姓拿來(lái)養(yǎng)生？

遙望星空，無(wú)邊無(wú)際。以量子疊加態(tài)實(shí)現(xiàn)海量運(yùn)算，以量子糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)即時(shí)通信，可謂人類向星際文明進(jìn)發(fā)的信心、底氣、保障。

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