“矛盾”的量子世界

“矛盾”的量子世界8月16日凌晨，我國成功發(fā)射世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子”，探索衛(wèi)星與地面之間的量子通信，有望研發(fā)出絕對(duì)安全的新一代密碼技術(shù)。如果把量子通信比作成“堅(jiān)固盾牌”，那么量子計(jì)算機(jī)就是“利劍長矛”。破解全世界最強(qiáng)的加密軟件，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要約100萬年，而量子計(jì)算機(jī)可能只需要一個(gè)小時(shí)。日前，中國科技大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了半導(dǎo)體量子芯片和量子存儲(chǔ)，并在世界上首次制備并測量了600對(duì)呈現(xiàn)糾纏狀態(tài)的量子，邁出了量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展的重要一步。在國家“十三五”規(guī)劃綱要中，量子通信與量子計(jì)算機(jī)同時(shí)被列入國家科技創(chuàng)新2030重大科技項(xiàng)目。那么究竟什么是量子？它跟量子通信、量子計(jì)算機(jī)又有什么關(guān)系？讓我們一起走進(jìn)“矛盾”的量子世界，探尋其中的奧秘。本報(bào)記者陳誠無所不在的量子“精靈”什么是“量子”？它與原子、電子、中子這些客觀存在的粒子一樣，也是某一種物質(zhì)實(shí)體嗎？答案是否定的?！八皇且环N粒子，而是能量的最小單位，是能量的最基本攜帶者?！焙颖睅煼洞髮W(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院教授白彥魁說，人們所熟知的分子、原子、電子、光子等在內(nèi)的微觀粒子都是量子的表現(xiàn)形式。既然世界是由微觀粒子組成的，從某種意義上來說，世界本身就是由無所不在的量子組成的。打開腦洞，想象一下，我們每個(gè)人就是一個(gè)龐大量子的集合，舉手投足間，一次呼吸就包含著上萬億的量子在移動(dòng)?！霸诮?jīng)典物理學(xué)中，物質(zhì)的能量是連續(xù)變化的，可以取任意值。”白彥魁說，而在量子物理學(xué)中，物質(zhì)或者說微觀粒子的能量傾向于不連續(xù)的變化。以光為例，我們說一個(gè)“光量子”，是因?yàn)橐粋€(gè)光量子的能量是光能量變化的最小單位，光的能量是以光量子的能量為單位一個(gè)一個(gè)變化的。其他的粒子情況也是類似的。比如，在沒有被電離的原子中，繞核運(yùn)動(dòng)的電子的能量是“量子化”的，也就是說電子的能量只能取特定的離散的值。只有這樣，原子才能穩(wěn)定存在，我們才能解釋原子輻射的不連續(xù)光譜。實(shí)際上在量子物理學(xué)中，所有的物理量的值都是不連續(xù)地、離散地變化。1900年12月14日，在德國物理學(xué)會(huì)上，德國物理學(xué)家馬克斯普朗克宣讀了一篇論文，提出了能量子概念，把量子這個(gè)“精靈”引進(jìn)了物理學(xué)。這一天被認(rèn)為是量子力學(xué)的誕生之日。盡管普朗克最早猜測到微觀粒子的能量可能是不連續(xù)的，但是要堅(jiān)持這個(gè)觀點(diǎn)，就意味著背叛經(jīng)典物理學(xué)。作為一名傳統(tǒng)而保守的物理學(xué)家，他認(rèn)為自己制造的量子“精靈”破壞了物理學(xué)的完美，一度對(duì)自己的發(fā)現(xiàn)表示苦惱。然而，大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)讓物理學(xué)界不得不接受事實(shí)。1905年，愛因斯坦把量子概念引進(jìn)光的傳播過程，提出“光量子”的概念；1913年，玻爾提出了量子化的原子結(jié)構(gòu)理論；1926年，薛定諤建立了薛定諤方程量子理論在短時(shí)間內(nèi)得以迅速發(fā)展，作為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一，為從微觀層面理解宏觀現(xiàn)象提供了理論基礎(chǔ)。幽靈般的量子糾纏被物理學(xué)家稱為“精靈”的量子并非浪得虛名，其自帶的兩大“絕技”困擾了全世界的物理學(xué)家。量子“精靈”的第一個(gè)絕技叫“量子糾纏”。在量子世界里存在著一種類似“心電感應(yīng)”的現(xiàn)象，比方說，兩張相距千里的紙張，當(dāng)你在其中一張紙上書寫的時(shí)候，另一張紙會(huì)立刻呈現(xiàn)出你所書寫的信息，就像是雙胞胎的心靈感應(yīng)?！霸谖⒂^世界，如果兩個(gè)粒子之間存在著糾纏關(guān)系，則不管它們相距多遠(yuǎn)，只要一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)粒子狀態(tài)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化?！卑讖┛榻B說。愛因斯坦將這種現(xiàn)象稱為“幽靈般的超距作用”。量子究竟為何會(huì)有這樣的“絕技”？科學(xué)家們至今都無法破解。盡管量子糾纏的原理尚未可知，但是我們卻可以利用這一現(xiàn)象作為安全通信的手段。量子糾纏的發(fā)現(xiàn)，為量子隱形傳輸提供了可能。通俗來講，量子隱形傳輸是將甲地某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來。量子力學(xué)表明，處于糾纏態(tài)的兩個(gè)光量子無論相距多遠(yuǎn)，只要一個(gè)發(fā)生變化，另外一個(gè)也會(huì)瞬間發(fā)生變化?！傲孔颖Ｃ芡ㄐ趴梢岳眠@個(gè)特性實(shí)現(xiàn)，即基于量子糾纏態(tài)的理論，通過量子密鑰傳輸和量子隱形傳態(tài)的方式實(shí)現(xiàn)信息的安全傳遞。”白彥魁說，傳統(tǒng)的通信加密和傳輸安全依賴于復(fù)雜的算法，但只要竊聽者的計(jì)算能力足夠強(qiáng)大，再復(fù)雜的保密算法都可能被破解。專家解釋說，量子通信基于光量子不可分割、不可復(fù)制的特性，傳輸時(shí)光子就無法被準(zhǔn)確測量和精確復(fù)制，竊聽者也就不可能把它分成兩半，一半竊走，一半繼續(xù)傳給接收方。更奇妙的是，量子密鑰一旦被測量截獲，其自身狀態(tài)會(huì)立刻發(fā)生改變，截獲量子密鑰的人只能得到無效信息，而信息的合法接收者也能立刻察覺，直到一把新的密鑰安全無誤地被接收。2009年，中國的科學(xué)團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子隱形傳態(tài)，證實(shí)了量子隱形傳態(tài)過程穿越大氣層的可行性。2019年8月，中國科技大學(xué)的潘建偉等人在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通信衛(wèi)星”奠定技術(shù)基礎(chǔ)。如今，我國研發(fā)的世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星成功發(fā)射，有望在衛(wèi)星與地面之間收發(fā)不可破解的“密電”。從經(jīng)典通信到量子通信，一場通信技術(shù)革命已然來臨。神秘的量子疊加除了量子糾纏，量子還有另外一項(xiàng)非常奇特的“絕技”量子疊加。什么是量子疊加？讓我們首先認(rèn)識(shí)一下在科學(xué)界知名度最高的一只萌寵“薛定諤的貓”?！耙恢回埛胚M(jìn)一個(gè)封閉的盒子里，然后把這個(gè)盒子連接到一個(gè)包含一個(gè)放射性原子核和一個(gè)裝有毒氣體容器的實(shí)驗(yàn)裝置。這個(gè)放射性原子核有50的可能性發(fā)生衰變。如果發(fā)生衰變，它會(huì)發(fā)射出一個(gè)粒子觸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置開關(guān)，容器中的毒氣會(huì)釋放，從而毒死這只貓?！?935年，量子力學(xué)創(chuàng)始人之一的薛定諤設(shè)想出這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)。那么這只“薛定諤的貓”到底是死的還是活的呢？在經(jīng)典物理學(xué)中，可以用某個(gè)物體的兩個(gè)狀態(tài)代表0或1，就像這只貓，或者死，或者是活，不可能同時(shí)處于死和活的狀態(tài)中。而根據(jù)量子力學(xué)理論，在實(shí)驗(yàn)者沒有開箱進(jìn)行觀測時(shí)，原子核處于衰變和未衰變的疊加狀態(tài)，換言之，盒子里的貓?zhí)幱诩仁腔畹囊彩撬赖臓顟B(tài)。這種有違經(jīng)典物理世界常識(shí)的“既生又死”的狀態(tài)被稱為量子疊加，是量子物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的根本區(qū)別。在量子世界，不僅有0和1的狀態(tài)，某些時(shí)候像原子、分子、光子可以同時(shí)處于0和1狀態(tài)相干的疊加。比如光子的偏振狀態(tài)，在真空中傳遞的時(shí)候，可以沿水平方向振動(dòng)，可以沿豎直方向振動(dòng)，也可以處于45度斜振動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象正是水平和豎直偏振兩個(gè)狀態(tài)的相干疊加。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算原理和“薛定諤的貓”是一樣的，利用的就是量子疊加態(tài)。在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，每個(gè)數(shù)位只有兩種狀態(tài)，非“0”即“1”，而量子計(jì)算機(jī)利用量子疊加態(tài)讓量子數(shù)位可以同時(shí)處于“0”和“1”這兩種狀態(tài)。擺脫了這種“非此即彼”的限制后，即便是一臺(tái)性能一般的量子計(jì)算機(jī)也能完勝當(dāng)今世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。簡單來說，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能按照時(shí)間順序一個(gè)個(gè)地解決問題，而量子計(jì)算機(jī)卻可以同時(shí)解決多個(gè)問題，大幅縮短用戶提取信息所需的時(shí)間。量子計(jì)算機(jī)可以在幾天內(nèi)處理以往傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需數(shù)百萬年時(shí)間才能處理的龐大數(shù)據(jù)，被科學(xué)家們寄予厚望。