量子是個特別嚴肅、但很容易搞得不嚴肅的高深話題。中國的量子科學實驗衛星即將發射，鋪天蓋地的報道讓不少人都能把這當做茶余飯后的談資。

不過，恐怕沒人敢拍著胸脯說自己精通量子論，連當年創立和發展量子論的物理學大佬們都覺得這玩意兒難懂，普通人就不用說了。

與經典物理學和其他許多學科不同，量子論特別違反常識和直覺。一些看似不關聯的現象竟能結合成一體，讓人哭笑不得，如此無厘頭的理論，如何理解？

我們回頭看20世紀初的物理學發展，只覺得充滿了革新、傳奇和英雄豪氣，但當事者們仍避免不了被自身的固有思維所限。

 

量子糾纏：愛因斯坦的糾結

量子是物理世界里事物的最小份額。在數學上，你盡可以把東西分成一半又一半，沒完沒了地縮小下去，但物理的東西不能比一個量子更小了，不妨說整個世界都是量子組成的。

量子論作出的許多預測都得到了驗證，沒有量子論，就理解不了半導體材料的原理，造不出微小的晶體管，不會有集成電路，也就不會有電腦、手機和網絡。

量子論的地位早已穩固，有一大堆物理學家靠它吃飯，但量子世界的某些根本問題，仍是他們共同的困擾。其中最要緊的一個，就是令愛因斯坦糾結多年、今天大家還在糾結的“超距作用”，它正是量子通信的基礎，也是量子科學實驗衛星要檢驗的問題，其正式稱謂是“糾纏”。

兩個處于糾纏中的粒子，彼此間存在一種神秘關聯，即使相隔整個宇宙，只要糾纏不被打破，這種關聯就存在著。量子糾纏那神秘的超距作用，讓許多最優秀的人類頭腦深感困擾。

人類似乎生來就認為定域性原則才是理所當然的，即一個物體只能受到周圍事物的直接影響，遠處的東西要借助媒介、跨越空間才能對它產生作用。要把桌上的咖啡杯端起來，就得伸手去拿。我對你喊話，聲音通過空氣的振動來傳遞。

量子糾纏則意味著，要么量子論存在漏洞，要么定域性原則可以違反。而以愛因斯坦為代表的部分物理學家則對超距作用的存在持懷疑態度，只認為量子理論是“不完備”的，糾纏的粒子之間存在著某種人類還沒觀察到的相互作用或信息傳遞，也就是“隱變量”。

物理學家約翰·貝爾設計了一套實驗原則，把量子糾纏之爭的戰場從理論轉移到了實驗室。貝爾在感情上站在愛因斯坦一方，但這不影響其理論——人稱“貝爾不等式”——的客觀性。幾十年來，科學家用光子、原子、離子等東西做了許多實驗，結果都偏向量子論一方：沒有隱變量的存在，量子態的糾纏是非定域性的。

不過貝爾設計的實驗是假想實驗，現實中很難完全滿足實驗原則的要求，迄今還沒有一個實驗可靠到能蓋棺定論。擴大實驗距離，正是消除漏洞的手段之一，量子科學實驗衛星可以把實驗距離擴大到前所未有的程度，有希望得出更加可信的結果。當然，將來如果能把實驗的另一端設在月球甚至火星上，就更理想了。

　

量子通信：“不可攔截”的秘鑰

量子科學實驗衛星的另一個任務是進行量子通信實驗，這是量子糾纏應用領域中比較接近現實的一個。它的要點是特別安全，傳統竊聽手段原則上對量子通信沒有用。加密的信息好比上了鎖的箱子，用特定的鑰匙才能打開。以當前的加密技術，只要付出足夠的努力，鑰匙理論上是可以攔截到的，只看效率高不高罷了。

而量子糾纏則提供“不可攔截”的鑰匙。做法是并不刻意防止別人竊取鑰匙，而是一旦有人這么干，通信雙方必然能察覺。量子衛星制造兩個糾纏的光子，分別發給通信的雙方。雙方對各自接收到的光子進行隨機檢測，用明文通信對比檢測結果，看看兩個光子是不是糾纏的。如果有人中途攔截光子，其觀察行為會破壞糾纏狀態，讓鑰匙作廢——你偷唄，偷到就沒用了，我換把新鑰匙。

從理論到實踐尚有很多技術困難，但總的來說，量子通信還是比傳統通信要安全得多，可能會給加密技術帶來革命性的變化。近年來量子通信已經有一些小規模應用，中國發射這顆衛星是要率先搞個大動作，著手建設全球范圍的量子通信網。有外媒評論說，這是“將頂尖研究轉化為中國的全球力量戰略資產的一個里程碑”。

 

量子計算：魔法般的高速計算

量子糾纏還有一個更了不起、但也更遙遠的應用領域：量子計算。傳統計算機離它的理論極限似乎已經不遠，其中既有物理學導致的硬件局限，也有算法方面的軟件局限。

對一些運算量特別巨大的問題，傳統計算機需要消耗的時間長到人類等待不起，甚至宇宙都等不起，目前看來量子計算機是唯一可能的出路，它會比傳統計算機快億萬倍。

傳統計算機算法基礎是0或1的狀態，而量子計算機則可以實現“既是1又是0”，多個糾纏在一起的量子比特能同時實現指數級別遞增的運算威力，輕易碾壓傳統并行計算。

當然，研究還處在非常基礎的階段，很多問題尚待解答：用什么制作量子比特？怎么讓它們維持那脆弱而短暫、特別容易遭到干擾的量子態？怎么對它們進行編程？制造量子計算機是不是需要有別于傳統計算機的全新思路？用傳統計算機發展歷史來比擬的話，量子計算大概處于還在研發真空管的時代，讓我們等吧……

 

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焦點科普：量子論，看似無厘頭，實則看點多

圖文簡介

量子通信比傳統通信要安全得多，可能會給加密技術帶來革命性的變化。