陳冰

在中科院量子信息與量子科技前沿卓越創(chuàng)新中心內(nèi)的量子模擬實驗室拍攝的超冷原子光晶格平臺的激光伺服系統(tǒng)。

1935年的一只貓，足足橫行了科學(xué)圈幾十年，還成了科學(xué)史上的四大神獸之一。杠精、著名物理學(xué)家薛定諤本來想諷刺一把量子力學(xué)，可命運弄人，他的貓卻成了量子力學(xué)最致命的代言人。

這只既生又死的貓到底是何方神圣？今天，就讓我們來揭開它的神秘面紗。

神奇的量子世界

在遨游神奇的量子世界之前，我們先要從日常生活的世界，也即經(jīng)典世界說起。

在20世紀以前，我們對經(jīng)典世界的認知主要來自牛頓，他在自己最著名的學(xué)術(shù)著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，建立起了經(jīng)典的牛頓力學(xué)體系，其核心就是牛頓三定律和萬有引力定律。

我們的日常生活，大到日月星辰，中到江河湖海，小到柴米油鹽，全都可以用牛頓的理論來解釋，因此人們認為這就是主宰整個宇宙的終極真理。進入20世紀，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，牛頓力學(xué)只適用于我們的宏觀世界，放到尺度特別小的微觀世界，這套理論就完全行不通了。

所以，量子力學(xué)是關(guān)于微觀物質(zhì)世界運動規(guī)律的理論體系。它與相對論一起構(gòu)成現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，而且在化學(xué)等學(xué)科和許多近代技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。

那么，量子力學(xué)又是怎么誕生的呢？

簡單地說，人類是在研究光的過程中偶然邂逅了量子。

我們知道世界上的物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的。除了原子以外，還有一種常見的東西——光。早在19世紀科學(xué)家們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)光是一種以光速傳播的波，而且物體熱輻射發(fā)出來的光，其能量并不連續(xù)，而是一份份的，這種特性被稱之為“量子化”。換言之，在量子世界里，物理量總是存在著一個最小值，無法像在經(jīng)典世界中那樣，直接趨近于零。這個偉大的發(fā)現(xiàn)開啟了通往量子世界的大門。它的發(fā)現(xiàn)者——普朗克也因此獲得了1918年的諾貝爾物理學(xué)獎。

接下來，就是金光閃閃的愛因斯坦登場了。他在1905年做出了三項震驚世界的重大發(fā)現(xiàn)——狹義相對論、布朗運動和光電效應(yīng)。而光電效應(yīng)是人類在理解量子世界的道路上邁出的第二步，愛因斯坦也因此獲得了1921年的諾貝爾物理學(xué)獎。

薛定諤的貓是死，是活？

什么是光電效應(yīng)？就是當(dāng)某一光子照射到對光靈敏的物質(zhì)上時，它的能量可以被該物質(zhì)中的某個電子全部吸收。電子吸收光子的能量之后，動能立刻增加，如果動能增大到足以克服原子核對它的引力，就能在十億分之一秒時間內(nèi)飛逸出金屬表面，成為光電子，形成光電流。

這是一種特別稀奇的物理學(xué)現(xiàn)象，因為這種現(xiàn)象的發(fā)生取決于光的頻率。在一定頻率之上的光，只要一照就可以從金屬中打出電子;而在此頻率之下的光，無論照射多長時間也無法把電子打出來。這就很難讓人理解。因為在牛頓的經(jīng)典力學(xué)中，能量是連續(xù)的。比如，要把一個大水缸裝滿水，你用大臉盆一盆一盆地往里倒水，可以把水缸裝滿;你用小水杯一杯一杯地接水，也可以把水缸裝滿。但現(xiàn)在光電效應(yīng)實驗告訴我們，你用大臉盆可以把水缸裝滿，但是用小水杯就不行。

愛因斯坦解釋說，由于光本身并不連續(xù)，而是由一個個叫光子的微粒組成。光子的能量取決于光的頻率，光的頻率越高，光子的能量就越大。如果光子的能量小，它傳遞給電子的能量也就小，如果這個能量一直低于電子逃出去所需要的最低能量，電子就會一直被束縛在金屬內(nèi)部。

光電效應(yīng)現(xiàn)象昭示出世界不再是線性的，而是非線性的。所有微觀世界中的粒子，包括原子、原子核、電子以及光子，全都是量子的，而且它們?nèi)疾粷M足牛頓力學(xué)的規(guī)律。這背后是人類從未涉足的領(lǐng)域——微觀量子世界。

在這片光電效應(yīng)的藍色火花之中，一場物理界的颶風(fēng)即將到來，從宏觀現(xiàn)實世界過渡到以往經(jīng)驗完全不適用的微觀量子世界?！傲孔幽酢焙糁觥?h3>薛定諤的貓是死，是活？

一名叫拉普拉斯的物理學(xué)家曾經(jīng)預(yù)言，如果能知道某一時刻所有物體的運動狀態(tài)，就能知道未來發(fā)生的一切。比如說，你抓起一把石子往天上扔，只要能知道扔出去時的高度，以及丟出去時石子的速度或動量（物體的質(zhì)量乘以它的速度），就可以精確地算出每個石子最終會落在哪里。

但海森堡卻發(fā)現(xiàn)，在微觀世界里，根本無法同時測出物體的位置和動量。換言之，如果你的“石子”只有原子那么小，你要想精確地測出它的位置，那它的動量就一定測不準;反之，你要想精確地測出它的動量，那它的位置就一定測不準?？傊褪囚~和熊掌不可兼得。而這種結(jié)果，就是量子力學(xué)中最重要的海森堡不確定性原理。

我們用波長較長的光，能測準微觀粒子的動量，卻測不準它的位置;而用波長較短的光，能測準微觀粒子的位置，卻測不準它的動量。也就是說，我們不可能同時將微觀世界某個物體的位置和速度同時測準，因此也就無法精確地算出它們未來的運動情況。

現(xiàn)在，我們可以讓薛定諤的貓登場了。

薛定諤是量子力學(xué)的奠基人之一。他發(fā)現(xiàn)了量子力學(xué)中最核心的方程——薛定諤方程，從而獲得了1933年諾貝爾物理學(xué)獎。也正是通過這個方程，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在量子的世界中粒子是可以同時存在于很多地方。著名的“薛定諤的貓”處于50%生和50%死的疊加狀態(tài)就是源于這個道理。

所有微觀世界中的粒子，包括原子、原子核、電子以及光子，全都是量子的，而且它們?nèi)疾粷M足牛頓力學(xué)的規(guī)律。這背后是人類從未涉足的領(lǐng)域——微觀量子世界。

英國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家羅斯堅信，人類大腦應(yīng)該是一臺量子計算機

一個單獨的神經(jīng)元，它的中間像一個復(fù)雜的開關(guān)，而外面的部分則像很多根接出來的電線。

幾個神經(jīng)元連在一起的樣子，盤根錯節(jié)的，像一個小規(guī)模的集成電路。

北京大學(xué)饒毅教授實驗室拍到的一幅人腦中神經(jīng)元和腦細胞分布圖，像一個超大規(guī)模的集成電路。

實驗大概是這樣的，把貓放進一個不透明的盒子里，盒子連接到一個包含放射性原子核和有毒氣體的實驗裝置中。如果原子衰變了，毒氣瓶會被打破，盒子里的貓會被毒死。要是原子核沒有衰變，貓就好好活著。

根據(jù)量子力學(xué)理論，原子核處于衰變和未衰變的疊加態(tài)，所以這只貓就進入了一種“既生又死”的狀態(tài)……

這樣的結(jié)論實在太可怕了，這只貓也嚇壞了一大批科學(xué)家，特別是信奉量子力學(xué)的科學(xué)家。為了將這只行走于陰陽兩界的貓拯救出來，科學(xué)家們忙活了一個多世紀，提出了五花八門的解釋。如上帝擲骰子般的概率論、多世界存在的平行宇宙，這也是量子力學(xué)讓人覺得特別像哲學(xué)或者是玄學(xué)的原因……

目前量子力學(xué)的主流理論之一是退相干理論。世界只有一個，只不過歷史有很多個，分為粗粒歷史、精細歷史。精細歷史是量子歷史，無法求解概率;粗粒歷史是經(jīng)典歷史，在宏觀上顯示，類似于路徑積分，可以計算概率。每一個粒子都處在所有精細歷史的疊加之中，比如放射性原子;但一旦涉及宏觀物體，我們所能夠觀察到的就是一些粗粒歷史，比如打開盒子后看到的薛定諤的貓。因為量子退相干了，這些歷史永久地失去了聯(lián)系，只剩下一種被我們感知到了。最后，本該是無序糾纏的量子，就表現(xiàn)得如互相獨立的經(jīng)典世界一樣——本該是粒子疊加態(tài)的薛定諤的貓，打開后就只能看到一種或生或死的狀態(tài)了。

雖然這一解釋也不能說是十全十美，但畢竟從數(shù)學(xué)上還是哲學(xué)上，都讓處于現(xiàn)實世界的我們多了一份篤定，不再那么糾結(jié)了。世界各國的科學(xué)家也開始利用這種理論來建立真正的現(xiàn)實應(yīng)用，如量子計算和量子通信。

玄乎的量子力學(xué)有什么用？

大家可能覺得量子理論生澀拗口，完全超乎常人的生活經(jīng)驗，實在太難以理解了。但它實際上早就在我們的生活中有著廣泛的應(yīng)用。

量子力學(xué)的第一個應(yīng)用是激光。平時我們常常會看到一些激光祛斑脫毛的廣告，拿激光器往臉上一照，色斑就消失了;往胳膊上一掃，體毛也脫落了。這是怎么回事兒??？

激光和其他任何光一樣都是由光子種組成的，但激光非常特別，它里面的每個光子的能量都一樣大。激光祛斑的工作原理就是當(dāng)激光照到臉上的時候，好皮膚里的電子能量與激光光子能量不匹配，所以會完好無損，而黑色斑塊里的電子能量與激光光子能量匹配，所以就會吸收激光，并最終被激光所破壞，激光脫毛也是這個道理。

量子力學(xué)的第二個應(yīng)用是半導(dǎo)體。我們用的手機、電腦，看的電視，還有之前用的收音機，里面最核心的元件都是用半導(dǎo)體做的。我們知道原子中有電子，在一定條件下電子會擺脫原子核的束縛，在某種材料中自由運動，這就形成了電流。

讓我們把運動的電子想象成一輛小汽車，把電子跑過的材料想象成一條公路，那么電流大不大或者說小汽車跑得快不快，取決于公路的狀況。有些材料，它們的路況很好，汽車在上面可以跑得很快，不會受到明顯的阻礙，這種材料就叫做導(dǎo)體。絕大多數(shù)金屬，比如銅、鋁、鐵都是導(dǎo)體，而有些材料，它們的路況很糟糕，障礙重重，汽車一上路就被堵得水泄不通，根本跑不起來。這種材料就叫絕緣體，我們常見的陶瓷、橡膠、玻璃都是絕緣體。

但是有一些特殊的材料，它們的路況很詭異。路上有不少障礙，一般汽車開上去就會被堵死，但要是外部條件發(fā)生變化，比如溫度升高，汽車就又能在路上開了。這些特殊的材料，就是半導(dǎo)體。利用半導(dǎo)體的特性就可以做出一些有用的電子元件，其中最重要的是二極管和晶體管。

二極管有一個非常特殊的性質(zhì)，在一個方向上給它加上電壓它就會產(chǎn)生電流，而在相反的方向上給它加上電壓就不會有電流產(chǎn)生，這就像城市里的單行道，你可以沿一個方向開車，但是沿另一個方向開車就不行了。LED燈就是用發(fā)光二極管做出來的。它的發(fā)光效率非常高，很節(jié)能，而且使用壽命很長，所以LED燈差不多已經(jīng)成為我們最主要的光源。

還有一種電子元件跟二極管不同，它有三個接口，這種電子元件叫三極管，也叫晶體管。晶體管可以放大電流，同時可以充當(dāng)開關(guān)。這些晶體管集成在一起，就是今天大家熟悉的集成電路，經(jīng)過50多年的發(fā)展，與最早的集成電路相比，現(xiàn)在的芯片計算能力已經(jīng)提升了2億多倍。今天區(qū)區(qū)一個iPhone手機的計算能力，都已經(jīng)超過了上世紀60年代美國人登陸月球所用的全部計算資源。

目前最小的芯片尺寸已經(jīng)做到了只有十納米，依照這個速度發(fā)展下去，到2030年晶體管就會變成只有一個原子那么大，到那個時候，根據(jù)不確定原理的話，任何操作都會直接干擾這些晶體管的運行，所以2030年以后，或許半導(dǎo)體芯片就會停止發(fā)展了。

量子傳輸也是一種極具前景的應(yīng)用。1982年，三位物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個重要的定理，叫做量子不可克隆定理——在量子世界里，沒有一個東西可以被完全地復(fù)制，換句話說，你沒辦法拷貝一個電子、一個原子或一個分子那么小的東西。

澳大利亞國立大學(xué)非線性物理中心博士生王凱在位于堪培拉的澳大利亞國立大學(xué)實驗室拿著“量子透鏡”樣品。

雖然量子不可克隆定理禁止了微觀世界中的拷貝，但它卻沒有禁止微觀世界中的傳輸，也就是說在兩個世界中，你還是可以把一個微小的物體的信息全部復(fù)制到一堆原材料里，從而制造出一個一模一樣的東西，但與經(jīng)典世界不同的是，原來的物體一定會被破壞掉，最終的效果是一個物體突然從自己原來的位置消失，與此同時，另一個地方會出現(xiàn)一個一模一樣的東西。

所以從理論上講，人們可以制造一套量子傳輸機，實際上，量子傳輸已經(jīng)在真實世界里實現(xiàn)了。1993年，6位物理學(xué)家想出了一個用量子糾纏來實現(xiàn)量子傳輸?shù)霓k法。他們傳輸?shù)臇|西非常簡單，只有一個光子，而且傳輸?shù)木嚯x很短，只有一個普通實驗室的長度，經(jīng)過近20年的發(fā)展，今天人類創(chuàng)造的量子傳輸最遠距離紀錄已經(jīng)達到了340公里，相當(dāng)于從武漢到長沙的距離。當(dāng)然，我們還不能高興得太早。目前人類一次能傳輸?shù)墓庾訑?shù)目最多只有128000個，別說瞬間傳送一個人了，就是傳送一個盒子都還做不到！

最后再來說說量子計算。量子計算機的主要元件是一種奇特的開關(guān)，它可以同時處于開和關(guān)的疊加狀態(tài)，也就是說它可以同時表示0和1這兩個數(shù)字，這樣的量子開關(guān)被稱為量子比特。在傳統(tǒng)的計算機當(dāng)中，一個經(jīng)典的開關(guān)，它能存儲的數(shù)字只有0或1。量子開關(guān)它有50%的幾率存儲0，還有百分之50%的幾率存儲1。換言之，一個量子開關(guān)，一次就可以表示0和1這兩個數(shù)字，如果是兩個量子開關(guān)，一次就能表示00、01、10、 11這4個數(shù)字，以此類推，隨著開關(guān)數(shù)的增加，經(jīng)典系統(tǒng)一次表示的數(shù)字依然是一個，但量子系統(tǒng)一次表示的數(shù)字將會以指數(shù)的方式快速增加。這個速度有多快呢？當(dāng)量子開關(guān)數(shù)達到20的時候，它一次能表示的數(shù)字就會超過100萬，這就是量子計算機的計算能力為什么會如此強大。

2019年9月，谷歌宣布成功利用一臺 54 量子比特的量子計算機，實現(xiàn)了傳統(tǒng)架構(gòu)計算機無法完成的任務(wù)。在世界最牛的超級計算機需要計算 1 萬年的實驗中，量子計算機只用了200 秒。2020年12月4日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊成功構(gòu)建了76個光子的量子計算原型機，并將其命名為“九章”?！熬耪隆敝恍?00秒就可以求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣，比世界上最快的超級計算機快一百萬億倍。

當(dāng)然，九章目前最大用途還只能是成為實驗室工具，取代一部分超算的負擔(dān)。這就像激光的發(fā)明一樣，最開始也只是在實驗室應(yīng)用，最終要普及生活應(yīng)用中，可能還需要15-20年的時間。

（資料來源：李淼著《給孩子講的量子力學(xué)》、微信公眾號：量子派、墨子沙龍）