揭秘微觀世界“小精靈”：量子為人類打開“新世界”

5月3日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸朝陽教授（中）和學(xué)生們?cè)谥锌圃毫孔有畔⒑土孔涌萍紕?chuàng)新研究院上海實(shí)驗(yàn)室檢查光量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行情況。新華社記者 金立旺 攝

５月３日，中國首臺(tái)多光子可編程量子計(jì)算機(jī)在上海亮相，演示了超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算能力，并在世界上首次成功實(shí)現(xiàn)十個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏。

首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”升空，全球首條遠(yuǎn)程量子通信骨干網(wǎng)“京滬干線”將正式啟用。究竟什么是“量子”，它如何改變我們的生活？今天，讓我們一起來認(rèn)識(shí)一下這個(gè)微觀世界里的“小精靈”。

“量子”是什么？量子是最小的、不可再分割的能量單位。這個(gè)概念誕生于１９００年，物理學(xué)家普朗克在德國物理學(xué)會(huì)上公布了他的成果，成為量子論誕生和新物理學(xué)革命宣告開始的偉大時(shí)刻。

我們中學(xué)物理書上提到的分子、原子、電子，其實(shí)都是量子的不同表現(xiàn)形式。也可以說，我們的世界都是由量子組成的。而我們每個(gè)人，都是“２４Ｋ”純量子產(chǎn)品。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波說，在我們生活的宏觀世界里，物體的位置、速度等運(yùn)動(dòng)規(guī)律，都可以通過牛頓力學(xué)精確地測(cè)算。但在量子微觀世界里，有著與宏觀世界截然不同的規(guī)則。

量子的神秘之處首先體現(xiàn)在它的“狀態(tài)”。在宏觀世界里，任何一個(gè)物體在某一時(shí)刻有著確定的狀態(tài)和確定的位置。但在微觀世界里，量子卻同時(shí)處于多種狀態(tài)和多個(gè)位置的“疊加”。

量子力學(xué)的開創(chuàng)者之一、奧地利物理學(xué)家薛定諤曾用一只貓來比喻量子態(tài)疊加：箱子里有一只貓，在宏觀世界中它要么是活的，要么是死的。但如果在量子世界中，它同時(shí)處于生和死兩種狀態(tài)的疊加。

更為詭異的是，量子的狀態(tài)還經(jīng)不起“看”。也就是說，如果你去測(cè)量一個(gè)量子，那么它就會(huì)從多個(gè)狀態(tài)、多個(gè)位置，變成一個(gè)確定的狀態(tài)和一個(gè)確定的位置了。如果你打開“薛定諤的箱子”，貓的疊加狀態(tài)就會(huì)消失，你會(huì)看到一只活貓或一只死貓。

如果說一個(gè)量子已經(jīng)很“奇怪”，那么當(dāng)兩個(gè)量子“糾纏”在了一起，那種不確定性連愛因斯坦都受不了了。根據(jù)量子力學(xué)理論，如果兩個(gè)量子之間形成了“糾纏態(tài)”，那么無論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)一個(gè)量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)量子也會(huì)超光速“瞬間”發(fā)生如同心靈感應(yīng)的變化。

雖然直至今天，人類仍然還沒搞清楚量子為何如此之“神秘”，但國際主流學(xué)界已經(jīng)接受了量子這種特殊性的客觀存在。更重要的是，人們可以利用量子的奇異特性開發(fā)創(chuàng)新型應(yīng)用，比如量子通信和量子計(jì)算。

例如，量子通信是科學(xué)界利用量子特性最早開發(fā)的信息應(yīng)用，它的出現(xiàn)也與時(shí)代的需求息息相關(guān)。其“不可分割”“測(cè)不準(zhǔn)”“不可克隆”等特性，使得理論上“絕對(duì)安全”的量子通信成為可能。

而基于量子的疊加態(tài)與糾纏特性，量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為將是最具威力的量子信息應(yīng)用。此次亮相的多光子可編程量子計(jì)算機(jī)，就是探索之一。未來，其超級(jí)計(jì)算能力的實(shí)現(xiàn)，將為金融分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)等大規(guī)模計(jì)算提供全新的方案。量子計(jì)算機(jī)還可以通過“模擬”，來解決科學(xué)研究中的一些未解之謎。