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量子论,看似无厘头,实则看点多

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(原标题:量子论,看似无厘头,实则看点多)

图为5月25日,在量子保密通信上海总控中心内,量子科学实验卫星首席科学家、中国科学技术大学教授、中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心主任潘建伟院士演示实用化量子通信产品进行远距离保密通话。 (图片来源:新华社)

新华社北京8月15日新媒体专电(记者王艳红)量子是个特别严肃、但很容易搞得不严肃的高深话题。中国的量子科学实验卫星即将发射,铺天盖地的报道让不少人都能把这当做茶余饭后的谈资。

不过,恐怕没人敢拍着胸脯说自己精通量子论,连当年创立和发展量子论的物理学大佬们都觉得这玩意儿难懂,普通人就不用说了。

与经典物理学和其他许多学科不同,量子论特别违反常识和直觉。一些看似不关联的现象竟能结合成一体,让人哭笑不得,如此无厘头的理论,如何理解?

我们回头看20世纪初的物理学发展,只觉得充满了革新、传奇和英雄豪气,但当事者们仍避免不了被自身的固有思维所限。

量子纠缠:爱因斯坦的纠结】

量子是物理世界里事物的最小份额。在数学上,你尽可以把东西分成一半又一半,没完没了地缩小下去,但物理的东西不能比一个量子更小了,不妨说整个世界都是量子组成的。

量子论作出的许多预测都得到了验证,没有量子论,就理解不了半导体材料的原理,造不出微小的晶体管,不会有集成电路,也就不会有电脑、手机和网络。

量子论的地位早已稳固,有一大堆物理学家靠它吃饭,但量子世界的某些根本问题,仍是他们共同的困扰。其中最要紧的一个,就是令爱因斯坦纠结多年、今天大家还在纠结的“超距作用”,它正是量子通信的基础,也是量子科学实验卫星要检验的问题,其正式称谓是“纠缠”。

两个处于纠缠中的粒子,彼此间存在一种神秘关联,即使相隔整个宇宙,只要纠缠不被打破,这种关联就存在着。量子纠缠那神秘的超距作用,让许多最优秀的人类头脑深感困扰。

人类似乎生来就认为定域性原则才是理所当然的,即一个物体只能受到周围事物的直接影响,远处的东西要借助媒介、跨越空间才能对它产生作用。要把桌上的咖啡杯端起来,就得伸手去拿。我对你喊话,声音通过空气的振动来传递。

量子纠缠则意味着,要么量子论存在漏洞,要么定域性原则可以违反。而以爱因斯坦为代表的部分物理学家则对超距作用的存在持怀疑态度,只认为量子理论是“不完备”的,纠缠的粒子之间存在着某种人类还没观察到的相互作用或信息传递,也就是“隐变量”。

物理学家约翰·贝尔设计了一套实验原则,把量子纠缠之争的战场从理论转移到了实验室。贝尔在感情上站在爱因斯坦一方,但这不影响其理论——人称“贝尔不等式”——的客观性。几十年来,科学家用光子、原子、离子等东西做了许多实验,结果都偏向量子论一方:没有隐变量的存在,量子态的纠缠是非定域性的。

不过贝尔设计的实验是假想实验,现实中很难完全满足实验原则的要求,迄今还没有一个实验可靠到能盖棺定论。扩大实验距离,正是消除漏洞的手段之一,量子科学实验卫星可以把实验距离扩大到前所未有的程度,有希望得出更加可信的结果。当然,将来如果能把实验的另一端设在月球甚至火星上,就更理想了。

图为在中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心内的量子模拟实验室拍摄的超冷原子光晶格平台的激光伺服系统。该平台可以人工操纵冷原子的量子状态,从而模拟一些难以操纵的、复杂物理系统的机制。(图片来源:新华社)

【量子通信:“不可拦截”的秘钥】

量子科学实验卫星的另一个任务是进行量子通信实验,这是量子纠缠应用领域中比较接近现实的一个。它的要点是特别安全,传统窃听手段原则上对量子通信没有用。加密的信息好比上了锁的箱子,用特定的钥匙才能打开。以当前的加密技术,只要付出足够的努力,钥匙理论上是可以拦截到的,只看效率高不高罢了。

而量子纠缠则提供“不可拦截”的钥匙。做法是并不刻意防止别人窃取钥匙,而是一旦有人这么干,通信双方必然能察觉。量子卫星制造两个纠缠的光子,分别发给通信的双方。双方对各自接收到的光子进行随机检测,用明文通信对比检测结果,看看两个光子是不是纠缠的。如果有人中途拦截光子,其观察行为会破坏纠缠状态,让钥匙作废——你偷呗,偷到就没用了,我换把新钥匙。

从理论到实践尚有很多技术困难,但总的来说,量子通信还是比传统通信要安全得多,可能会给加密技术带来革命性的变化。近年来量子通信已经有一些小规模应用,中国发射这颗卫星是要率先搞个大动作,着手建设全球范围的量子通信网。有外媒评论说,这是“将顶尖研究转化为中国的全球力量战略资产的一个里程碑”。

【量子计算:魔法般的高速计算】

量子纠缠还有一个更了不起、但也更遥远的应用领域:量子计算。传统计算机离它的理论极限似乎已经不远,其中既有物理学导致的硬件局限,也有算法方面的软件局限。

对一些运算量特别巨大的问题,传统计算机需要消耗的时间长到人类等待不起,甚至宇宙都等不起,目前看来量子计算机是唯一可能的出路,它会比传统计算机快亿万倍。

传统计算机算法基础是0或1的状态,而量子计算机则可以实现“既是1又是0”,多个纠缠在一起的量子比特能同时实现指数级别递增的运算威力,轻易碾压传统并行计算。

当然,研究还处在非常基础的阶段,很多问题尚待解答:用什么制作量子比特?怎么让它们维持那脆弱而短暂、特别容易遭到干扰的量子态?怎么对它们进行编程?制造量子计算机是不是需要有别于传统计算机的全新思路?用传统计算机发展历史来比拟的话,量子计算大概处于还在研发真空管的时代,让我们等吧……(完)

(原标题:量子论,看似无厘头,实则看点多)

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