【浙江日报】走进量子的神秘世界2020-09-11

2020年09月11日
【浙江日报】走进量子的神秘世界

从一个物理学的经典问题开始

本报记者 黄慧仙 严粒粒 通讯员 张弛

“我是独一无二的，拥有自主意识，我的行为可以影响体系的演化，这是量子力学和牛顿力学根本的不同。”近日，在湖心讲堂公开课上，著名量子物理学家、中国科学技术大学常务副校长潘建伟说。
上帝到底掷不掷骰子？这一物理学的经典之问，一直是很多人津津乐道的话题。
牛顿力学告诉我们，所有粒子的运动状态都是可以精确预言的，这就会引起“决定论”的概念。在美剧科幻片《西部世界》里的机器人，自认为自己是具有自主意识的，但事实上，其每一个举动都是由后台程序所设定：下一时刻要做什么、说什么，早就像拍电影一样被确定好了。
那么，这个世界到底是决定论的，还是在本质上是不确定的、以至于允许我们有自主意识和自由的思想呢？如果本质上是不确定的，我们又该如何从物理学角度来证明这一点？
“目前的科学理论是：我们的世界不是决定论的。有了这样的新理念后，我们可以做很多有趣的事情。”潘建伟说。从爱因斯坦的好奇心到近年来量子信息技术的发展，在科学家们的引领中，我们走入量子力学的奇妙世界。

上帝掷骰子吗？

量子力学诞生后，以玻尔、海森堡和泡利为主的哥本哈根学派一直认为，量子力学本身已经是完备的理论，而爱因斯坦则一直批评它并不完备。
在量子力学中，世界由两种基本成分组合而成。其一是波函数，也即一种平滑的、可以完全确定的数学表达式，它代表了关于粒子位置和特征的无数种可能性，可以用来描述粒子的信息。其二是波函数的塌缩，也即实现一种可能性并消除所有其他可能性。
爱因斯坦认为，量子力学只能描述处于相同环境中为数众多而又彼此独立的粒子全体，而不能描述单个粒子的运动状态。因为单个粒子的运动状态必须是决定性的，而不能是统计几率性的。因此，爱因斯坦相信上帝不掷骰子，我们对于粒子运动状态的描述必然会有一种确定规律或公式来测算。
玻尔则认为，量子世界是虚幻的、不真实的，只有对量子世界进行了测量之后的结果才是真实的。而现有的量子力学理论并没有问题，它恰好可以计算这个复杂的量子世界，并且符合实际。在他看来，不确定性也是自然的一部分。
现场，潘建伟用两个实验来解释这种争论的产生。
当打开手电筒照过一条缝时，光线会呈现中间亮，两边渐渐变暗的形态。而当我们重复做这个实验，并将光源不停减弱，最终在屏幕上可以发现，在每个确定的时刻，会看到一个点、一个点的出现。实验重复多次后，还可以发现，这些点的分布概率与之前实验情况是完全一致的。单次实验中出现的一个点，就是所谓的“单光子”。其实，光是由很多小颗粒组成的，反复减弱光源后看到的小颗粒就是光能量的最小单元——光量子。
而进入双缝实验，我们首先只开一缝，会看到这条缝四周集中了很多小点，最后的分布状态为高斯分布。那么，当两条缝同时打开时，我们会看到什么现象呢？按照通常的观念，单光子是不可分割的，单次过程中，其应当从某一条缝中通过。两条缝都打开时，应是一种简单的概率叠加，其结果仍呈现高斯分布的状态。
但事实并非如此。在两缝皆开的情况下，屏幕上光子数目越来越多，就出现了干涉条纹。在量子力学中，按照玻尔和海森堡的观点，首先光子确实是一个粒子，但它在自由飞行时，状态是由波函数来描述的。在探测到光子之前，光子没有一个确定的位置。通过双缝之后，波函数的干涉就会影响光子出现的概率分布，就类似于经典波干涉一样。
按照这样的观点，最后在屏幕上探测到光子的时候，光子就会坍缩成一个点，随机地出现在某个地方。在重复实验多次后，我们会发现，单光子像波一样，是同时通过两条缝，但是光子的位置是完全不确定的，其出现在某个点的概率，是由两个波函数相干叠加决定的。
可以看到，量子力学用波函数的形式解释了这一现象。
“‘上帝到底掷不掷骰子’这个问题很重要。从某种意义上来说，它跟人有自由意志与否，是紧密相连的。”潘建伟说，因此，如果上帝掷骰子，人就可能还有一点自由意志；如果上帝不掷骰子，我的命运和做什么事情，都是方程决定的。

我们可以穿越时空吗？

在近年来的许多穿越剧里，我们经常可以看到这样的桥段：男主角或女主角借助量子力学的作用，在某种神秘力量的裹挟下，穿过时空隧道，穿越到古代或现代，并由此开启一段惊险奇幻的故事……
那么，在现实的研究中，量子力学又是否真的具备带人“穿越时空”的“魔力”呢？这就要说到量子纠缠。
根据量子力学原理，量子世界中的一只猫，当我们没有去看这只猫时，猫可以处于死和活状态的相干叠加。物理量的值不是预先确定的，你去决定测量的时候才会决定它是什么性质；测量的结果是随机的，也就是说观测者的行为会影响体系的演化；同时，这也告诉我们，对于单个量子的未知态我们是不能像手机一样里面的信息做简单的复制的。
“利用量子纠缠的帮助，我们是可以像孙悟空的筋斗云一样，将量子信息从一个地点送到另外一个地点。但前提是，这种传送是在非常有限的空间内。”潘建伟以时间和空间做了一个比喻：如果上海和杭州有一团纠缠物质，人又想快速穿梭两地，那么理论上，是可以对这个人和那团纠缠物质做一番操作，使得人身上的每一个原子与纠缠物内的原子纠缠起来；并通过测量得到一组数据，了解它们处于哪种纠缠态，然后将这个信息通过无线电台发射到杭州，通过在杭州对这种物质的可控操作，我们就可以用同样多的物质将这个人在杭州重新构造出来。
那么，这是一种复制现象吗？“并非复制。因为这个‘被传送’的人在完成这个过程之后，原来在上海的他已没有任何留存的信息，他只是被用同样多的物质在杭州又重新构造了出来。”潘建伟说。
“当然，人能不能被传送尚且是未知数。但一个原子的状态是可以实现的，几百个原子状态也是可以的，目前这些在实验上都已得到证实。”潘建伟说，这一原理可用来做量子计算的基本单元：量子信息在网络中可自由走动后，研究人员就可以利用量子叠加来进行量子信息的处理，这就是量子计算机。

量子力学“实用”吗？

说起来，量子科技最为人说道的，还是其中的量子加密通讯技术。
实现信息的安全传送，自古以来就是人类的梦想。在公元前7世纪，古希腊斯巴达人就通过将一个布带缠到加密棒上，写上诸如“明天发动攻击”的密信，命令发布后，如果他人没有同样半径的加密棒，就无法顺利读出这一信息，这便是最原始的加密方法。
到了公元前1世纪左右，凯撒大帝发明了更好用的办法——通过移动26个字符顺序的方式对信息进行加密，如“明天发动攻击” 就变成DWWD，那么只有预先约定的人才会知道这个命令的含义。
这些聪明又古老的加密算法，其实可以用字符出现频率的方法加以破解。
二战期间，人们又设计了更加复杂的密码，到后来还有RSA公钥加密算法，但随着计算能力的提升，这些加密方法都被一一破解。
另外，人类不断增长的对计算能力的巨大需求，也是我们当前信息科技领域面临的一大问题。20世纪40年代的 Colossus 计算机，重量1吨，功率8.5千瓦，每秒运算速率五千次，当时人们觉得这已经很快了，当时按照IBM的前总裁 Thomas Watson 的说法，全世界大概只需要五台这样的计算机就够了。但到了2010年时，每个人拥有的智能手机已经可以实现每秒钟5万亿次的运算，功耗不超过5瓦，其计算能力是当年美国阿波罗登月计划计算能力的总和。
在潘建伟看来，量子通信可以提供原理上无条件的安全通信方式；量子计算则可以提供超快的计算能力，来揭示复杂系统的规律。在研究爱因斯坦百年之问的过程中，目前的量子力学已经初步地为突破信息安全和计算能力的瓶颈做好了准备，而且也为回答上帝到底是否掷骰子提供了可能的答案。
“某种意义上来讲，量子力学是现代信息技术的硬件基础。与作为软件基础的数学相结合，数学与物理奠定了整个现代信息技术的基础。”潘建伟说。
诚然，无论是核能、晶体管的发现，还是核磁共振、高温超导材料、巨磁阻效应的发现等，量子力学规律在应用过程中，带来了诸多技术革新。对量子规律的被动观测，并非仅作用于微观世界，它已在很大程度上改变了我们如今的生活。第一次量子革命直接催生了现代信息技术。
“一部手机里就凝聚了很多跟量子力学相关的基础物理、基础化学成果：半导体器件是2009年诺贝尔物理学奖，集成电路是2000年诺贝尔物理学奖……一部手机当中，有八项诺贝尔奖成果在里面。这足以可见像量子力学这样的基础研究的重要性。”潘建伟说。
从高功率X波段脉冲式电子顺磁共振谱仪等自主研发磁共振实验装备，到任意波形发生器、任意序列发生器等量子测控器件与系统等，在前不久刚刚落下帷幕的第十七届长三角科技论坛上，中国科学技术大学研发团队就分享了他们正在挖掘的量子科学技术价值潜力，用以研制高端科学仪器。“科学仪器的自主研制是实现自主创新的重要基础。”中国科学院院士、中国科学技术大学教授杜江峰说，目前我国在科研仪器研制领域虽取得一定进展，但很多高端科学仪器仍依赖进口。这不仅成为我国每年科研固定资产投资负担，更为后续科研工作的开展带来诸多不便。在这一方面，以量子通信、量子计算、量子精密测量为代表的量子科学技术研究成为“解题”关键。
潘建伟说，未来通过10到15年的努力，他希望科学家们能够在量子通信方面，进一步提升信息安全。同时，利用在空间中发展的技术，发射中高轨卫星，从而在太空中也可以进一步做引力和量子理论相关的验证工作；在量子计算方面，他希望我国未来能够构建起具有基本功能的通用量子计算原型机，探索对密码分析和大数据分析方面的相关应用。“我相信，随着人工智能研究的发展和量子计算机硬件的发展，我们可能可以构建出理解甚至超越人类的智慧，探索更多未知而神秘的领域。”潘建伟说。
《浙江日报》（2020年09月11日9版）

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