量子是個(gè)特別嚴(yán)肅、但很容易搞得不嚴(yán)肅的高深話題。中國的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星即將發(fā)射，鋪天蓋地的報(bào)道讓不少人都能把這當(dāng)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(dāng)年創(chuàng)立和發(fā)展量子論的物理學(xué)大佬們都覺得這玩意兒難懂，普通人就不用說了。

與經(jīng)典物理學(xué)和其他許多學(xué)科不同，量子論特別違反常識(shí)和直覺。一些看似不關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象竟能結(jié)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(jì)初的物理學(xué)發(fā)展，只覺得充滿了革新、傳奇和英雄豪氣，但當(dāng)事者們?nèi)员苊獠涣吮蛔陨淼墓逃兴季S所限。

 

量子糾纏：愛因斯坦的糾結(jié)

量子是物理世界里事物的最小份額。在數(shù)學(xué)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(gè)量子更小了，不妨說整個(gè)世界都是量子組成的。

量子論作出的許多預(yù)測都得到了驗(yàn)證，沒有量子論，就理解不了半導(dǎo)體材料的原理，造不出微小的晶體管，不會(huì)有集成電路，也就不會(huì)有電腦、手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)。

量子論的地位早已穩(wěn)固，有一大堆物理學(xué)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(gè)，就是令愛因斯坦糾結(jié)多年、今天大家還在糾結(jié)的“超距作用”，它正是量子通信的基礎(chǔ)，也是量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星要檢驗(yàn)的問題，其正式稱謂是“糾纏”。

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

人類似乎生來就認(rèn)為定域性原則才是理所當(dāng)然的，即一個(gè)物體只能受到周圍事物的直接影響，遠(yuǎn)處的東西要借助媒介、跨越空間才能對它產(chǎn)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(dòng)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(xué)家則對超距作用的存在持懷疑態(tài)度，只認(rèn)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(xué)家約翰·貝爾設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)原則，把量子糾纏之爭的戰(zhàn)場從理論轉(zhuǎn)移到了實(shí)驗(yàn)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(xué)家用光子、原子、離子等東西做了許多實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都偏向量子論一方：沒有隱變量的存在，量子態(tài)的糾纏是非定域性的。

不過貝爾設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是假想實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)實(shí)中很難完全滿足實(shí)驗(yàn)原則的要求，迄今還沒有一個(gè)實(shí)驗(yàn)可靠到能蓋棺定論。擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)距離，正是消除漏洞的手段之一，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星可以把實(shí)驗(yàn)距離擴(kuò)大到前所未有的程度，有希望得出更加可信的結(jié)果。當(dāng)然，將來如果能把實(shí)驗(yàn)的另一端設(shè)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(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的另一個(gè)任務(wù)是進(jìn)行量子通信實(shí)驗(yàn)，這是量子糾纏應(yīng)用領(lǐng)域中比較接近現(xiàn)實(shí)的一個(gè)。它的要點(diǎn)是特別安全，傳統(tǒng)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(dāng)前的加密技術(shù)，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(wèi)星制造兩個(gè)糾纏的光子，分別發(fā)給通信的雙方。雙方對各自接收到的光子進(jìn)行隨機(jī)檢測，用明文通信對比檢測結(jié)果，看看兩個(gè)光子是不是糾纏的。如果有人中途攔截光子，其觀察行為會(huì)破壞糾纏狀態(tài)，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(shí)踐尚有很多技術(shù)困難，但總的來說，量子通信還是比傳統(tǒng)通信要安全得多，可能會(huì)給加密技術(shù)帶來革命性的變化。近年來量子通信已經(jīng)有一些小規(guī)模應(yīng)用，中國發(fā)射這顆衛(wèi)星是要率先搞個(gè)大動(dòng)作，著手建設(shè)全球范圍的量子通信網(wǎng)。有外媒評論說，這是“將頂尖研究轉(zhuǎn)化為中國的全球力量戰(zhàn)略資產(chǎn)的一個(gè)里程碑”。

 

量子計(jì)算：魔法般的高速計(jì)算

量子糾纏還有一個(gè)更了不起、但也更遙遠(yuǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域：量子計(jì)算。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)離它的理論極限似乎已經(jīng)不遠(yuǎn)，其中既有物理學(xué)導(dǎo)致的硬件局限，也有算法方面的軟件局限。

對一些運(yùn)算量特別巨大的問題，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要消耗的時(shí)間長到人類等待不起，甚至宇宙都等不起，目前看來量子計(jì)算機(jī)是唯一可能的出路，它會(huì)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快億萬倍。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)算法基礎(chǔ)是０或１的狀態(tài)，而量子計(jì)算機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)“既是１又是０”，多個(gè)糾纏在一起的量子比特能同時(shí)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別遞增的運(yùn)算威力，輕易碾壓傳統(tǒng)并行計(jì)算。

當(dāng)然，研究還處在非常基礎(chǔ)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(tài)？怎么對它們進(jìn)行編程？制造量子計(jì)算機(jī)是不是需要有別于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的全新思路？用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史來比擬的話，量子計(jì)算大概處于還在研發(fā)真空管的時(shí)代，讓我們等吧……

 

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焦點(diǎn)科普：量子論，看似無厘頭，實(shí)則看點(diǎn)多

圖文簡介

量子是個(gè)特別嚴(yán)肅、但很容易搞得不嚴(yán)肅的高深話題。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)算法基礎(chǔ)是０或１的狀態(tài)，而量子計(jì)算機(jī)則可以實(shí)現(xiàn)“既是１又是０”，多個(gè)糾纏在一起的量子比特能同時(shí)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別遞增的運(yùn)算威力，輕易碾壓傳統(tǒng)并行計(jì)算。