通俗解讀量子科技背后的原理

瑞典皇家科學院近日宣布，將2022年諾貝爾物理學獎授予法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤和奧地利科學家安東·蔡林格，以表彰他們在“糾纏光子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創量子信息科學”方面所做出的貢獻。

立于前沿領域，量子科學歷來是諾貝爾獎的常客，從20世紀早期普朗克等科學家率先提出，到21世紀登上新的臺階，量子在某種意義上解構了傳統物理學，開創了一個全新的境界，改變了人類對世界的認識。

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，都與量子科技息息相關。

進入新世紀后，量子科技向著更深層次發展，如今主要聚焦量子計算、量子通信、量子測量。

▲2022年諾貝爾物理學獎得主

提到量子計算，就不得不說量子理論中經典的不確定性原理，也叫測不準原理。科學家發現，在微觀領域，同時測定粒子的位置和速度是不可能的，這令人匪夷所思。

當你開車的時候，當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，觀測一個粒子時，作為觀測手段本身的光子，其能量將會顯著影響到觀測對象，比如把觀測對象撞飛，肯定就測不準了。

受傳統物理學統治的日常生活，同樣存在不確定性原理，只是對粒子而言，物體過于龐大，偏差基本可以忽略不計，不會對生活造成任何影響。

不確定性帶來新的問題，即量子的疊加態。薛定諤曾提出一個著名的物理學假設：將一只貓放在一個暗箱中，如果貓觸發機關，將被釋放出的毒氣殺死，反之貓不會死。

在開箱之前，沒人能夠斷言貓究竟是死是活，因而，貓在開箱前的狀態是既死又活的，當人們開箱觀測時，波函數瞬間崩塌了，倒向唯一一種結果。

也就是說，在量子理論視域下，微觀世界的運動在某種程度上取決于觀測。如果波函數始終平穩，又如果可以準確地測定每個粒子的位置和速度，那么，我們將擁有預言未來的能力，顯然，目前是無法實現的。

但量子疊加態卻帶來無限可能，量子計算便是最好的例證。亦如貓可以既死又活，在人們沒有觀測時的數值，也可以既正又負。

眾所周知，計算機使用二進制，一切數據轉化為計算機語言均由0和1組成，引入量子計算后，一個量子比特可以同時是0和1中的任意數值，也可以隨時變成兩個數中的任意一個。

這就厲害了，僅是可變的數值便會讓計算機的運算能力暴增。原本一串0和1的組合，能夠被量子放大為無數種組合方式，并在同一時間完成不同運算。

據研究，由1024個量子組成的量子計算機，其運算能力超過現今世界所有計算機的總和，而且，它沒有理論上限。強大的運算能力若經合理開發運用，人類科技或許將實現跨越式發展。

▲量子計算（概念圖）

量子通信是另一項令人驚嘆的科技，如若成真，信息技術將達到前所未有的速度。

目前認為，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30萬公里的光，給了人們的生活以極大便利，實際發生的和肉眼所看到的，幾乎別無二致。

即便遠隔重洋召開視頻會議，也在光纜或無線電通信的加持下實現即時交流，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“阿波羅計劃”登月過程中，地月間通信延遲1.2秒，因為信號要飛過約38.5萬公里方能到達地球。

1.2秒不會對通信造成過大影響，相比之下，已飛抵太陽系邊緣（不嚴謹的說法）的旅行者1號算是個更好的例子，后者與地球通信一次，需耗時17小時。

量子通信或將改變這一狀況。除了疊加態，量子還存在糾纏態，通俗地說，一些量子可以成對出現，并呈現相對應的形態。

好比一枚硬幣，正反兩面是疊加的，同時也是糾纏的，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，亦可以遠在天涯。

假如地球上一個量子與銀河系另一側的一個量子構成糾纏關系，那么從地球上的量子狀態，就能夠知道遠在銀河系另一側量子的狀態，這個過程沒有任何時差。

這意味著，量子通信突破了光速。需要說明的是，不是量子運動的速度超過了光速，而是量子糾纏的特性避開了光速限制，它們傳遞信息時沒有途經任何通道和介質。

其實，量子通信技術已得到部分運用，主要集中在密碼學方面，為通信的安全性提供了強大保障，但我們距離真正的量子通信還有很遠。

得益于量子的不確定性，未來，信息的傳遞將難以被竊聽，因為完完全全的量子通信沒有傳輸媒介，根本找不到截獲的路徑，即便截獲，信息將在被觀測時瞬間崩塌，非法觀測者得到的，將是不準確的信息。

▲量子通信（概念圖）

現今，雖然對量子科技研究取得了顯著進展，但與上述這些超越想象的運用仍有很大差距，甚至有如電報發明伊始和智能手機普及之間的跨度，不過，相信這些前沿科技終有一天能夠成為人們生活的常態。

有些人要問了，據說量子科技可以使人與物實現“幻影移形”？這個認識存在誤區，量子通信只傳遞信息，而非量子自身的位移，所以從現階段的研究看來，用量子傳遞實體是不科學的說法。

至于未來是否能夠通過量子或更前沿的科技達到瞬移或超越光速，也不是完全不可能，這需要進一步探索。

還有一些市面上炒作的“量子”科技，比如量子水等保健用品，無非是打著科學的旗號和噱頭搞營銷，甚至可以稱之為詐騙。如此厲害的科技，軍方都沒有推廣運用，怎么可能給老百姓拿來養生？

遙望星空，無邊無際。以量子疊加態實現海量運算，以量子糾纏態實現即時通信，可謂人類向星際文明進發的信心、底氣、保障。

（文內圖片來自網絡）