“量子肥料”？“量子水”？

本人上世紀(jì)八十年代初期開始致力于量子光學(xué)研究，九十年代初又?jǐn)U展到剛剛萌芽的量子信息領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)國內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)量子信息領(lǐng)域的研究呈現(xiàn)出相當(dāng)冰冷的狀態(tài)，而民眾更是將量子力學(xué)視為高懸在學(xué)術(shù)殿堂之上的圣物，敬而遠(yuǎn)之。

近幾年來，隨著量子信息的飛速發(fā)展，加上媒體的大力渲染，“量子”已成為人們津津樂道的話題，人們甚至將“量子現(xiàn)象”描繪得神秘?zé)o比，仿佛世界上所有難以解決的事情都可歸結(jié)到“量子糾纏”上。個(gè)別學(xué)者不實(shí)的夸大宣傳，部分媒體的不斷炒作，造成當(dāng)前關(guān)于“量子世界”形形色色的奇談怪論，引發(fā)各界激烈的爭論。

究竟量子力學(xué)能為人類提供什么真實(shí)有用的技術(shù)？目前宣傳的量子現(xiàn)象，哪些是科學(xué)的預(yù)言，哪些是人們杜撰出來的虛無之物？在學(xué)術(shù)界朋友的催促下，本人將媒體上種種議論匯聚為十個(gè)問題，談?wù)剛€(gè)人的看法。畢竟量子世界奇妙無比，沒人敢斷言已完全參透了量子世界的真髓，這系列“量子十問”網(wǎng)絡(luò)科普只不過是本人的一孔之見，供讀者參詳、爭論。

我要感謝中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的周正威、孫方穩(wěn)、李海歐、周宗權(quán)等師生的通力協(xié)助，才能在較短時(shí)間內(nèi)撰寫好這一系列科普文章。

量子究竟是什么？

1900年，普朗克首次提出量子概念，用來解決困惑物理界的“紫外災(zāi)難”問題。

普朗克

普朗克假定，光輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)其能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，一份“能量”就是所謂量子。從此“量子論”就宣告誕生。

然而當(dāng)時(shí)的物理界，包括普朗克本人，都討厭“量子”這個(gè)怪物，千方百計(jì)想要將它消化在經(jīng)典物理的世界之中，但卻屢試不果。唯有愛因斯坦獨(dú)具慧眼，他認(rèn)為光輻射不僅在于與物質(zhì)相互作用時(shí)的能量是一份一份的，光輻射的能量，本身就是“量子化”的，一份能量就是光能量的最小單元，后來稱之為“光量子”，或簡稱“光子”。

德布羅意

法國年輕的博士生德布羅意在愛因斯坦“光子”概念的啟發(fā)下提出：既然看似波動(dòng)的光輻射，具有“粒子”特性，那么像電子這類看似“粒子”的物質(zhì)，也應(yīng)具有波動(dòng)性。這就是“德布羅意物質(zhì)波”的概念，由此引發(fā)后繼大量理論與實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)所有微觀粒子都同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性二象性。這些奇異特性的微觀粒子構(gòu)成“量子世界”，遵從量子力學(xué)的運(yùn)動(dòng)定律。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到“量子世界”不僅限于微觀和單個(gè)粒子，某些宏觀尺度下的多粒子系統(tǒng)也遵從量子力學(xué)規(guī)律。例如玻色—愛因斯坦凝聚，當(dāng)原子聚合的溫度足夠低時(shí)，所有處于不同狀態(tài)的原子，會(huì)突然聚集在同一個(gè)盡可能低的能量狀態(tài)上，其行為就像一個(gè)“放大”的玻色子，遵從量子力學(xué)規(guī)律。

我們按物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律的不同，將遵從經(jīng)典運(yùn)動(dòng)規(guī)律（牛頓力學(xué)，電磁場(chǎng)理論）的那些物質(zhì)所構(gòu)成的世界稱為“經(jīng)典世界”，將遵從量子力學(xué)規(guī)律的那類物質(zhì)所構(gòu)成的世界稱為“量子世界”?！傲孔印本褪橇孔邮澜缰形镔|(zhì)客體的總稱，它既可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是BEC、超導(dǎo)體、“薛定諤貓”等宏觀尺度下的量子系統(tǒng)，它們的共同特征就是必須遵從量子力學(xué)的規(guī)律。

舉一個(gè)例子說明“量子”與“經(jīng)典”的本質(zhì)區(qū)別，經(jīng)典世界的特點(diǎn)是物體的物理量、狀態(tài)在某個(gè)時(shí)刻是完全確定的：晶體管要么導(dǎo)通，要么關(guān)閉，完全確定。即經(jīng)典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。但量子世界中，客體的物理量則是不確定的、概率性的，而且這種不確定性與實(shí)驗(yàn)技術(shù)無關(guān)，是量子世界的本質(zhì)特征，無法消除。這個(gè)特征體現(xiàn)在量子力學(xué)中重要的量子態(tài)疊加原理上。

量子態(tài)又稱波函數(shù)或幾率幅，它沒有任何經(jīng)典對(duì)應(yīng)。雖然人們并不喜歡量子世界的這種描述，因?yàn)樗c我們所熟悉的經(jīng)典世界截然不同，但一百多年來所有實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了量子力學(xué)的所有預(yù)言，人們不得不承認(rèn)這種描述是正確的。

費(fèi)曼

事實(shí)上，量子力學(xué)的所有奇異特性正是源于這個(gè)幾率幅。當(dāng)然，近百年來對(duì)量子力學(xué)爭論不休也在于這個(gè)幾率幅（量子態(tài)）。

目前，網(wǎng)絡(luò)上就在流傳什么“量子肥料”、“量子水”等忽悠人的詞，將來還可能出現(xiàn)“量子炸彈”、“量子導(dǎo)彈”……這些忽悠大眾的名詞將本來應(yīng)是光輝純潔的學(xué)術(shù)領(lǐng)域炒作得烏煙瘴氣，真假不分，魚目混珠。

其實(shí)，人們只要搞懂“量子比特”的本質(zhì)，就可以戳穿“假量子”的騙局。

例如，激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)，從目標(biāo)反射回來的光束，其強(qiáng)度隨距離不斷衰減，當(dāng)探測(cè)器無法探測(cè)到光時(shí)，就是最長的測(cè)量距離。當(dāng)然，如果采用單光子探測(cè)器，則測(cè)量距離必然增長。

這里測(cè)到的是單個(gè)光子，是否可以稱它為“量子測(cè)距”呢？

答案是否定的，因?yàn)樗鼪]用到光子的量子態(tài)，這只是將激光測(cè)距提高到極限靈敏度而已，仍屬于經(jīng)典范疇。密立根當(dāng)年在實(shí)驗(yàn)上測(cè)量單個(gè)電子的電荷，雖然采用單個(gè)電子，但這仍然屬經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵谠搶?shí)驗(yàn)中，“單電子”只是作為電荷最小單元，而未涉及到任何量子特性。

原標(biāo)題：量子是啥？看了你不會(huì)信量子水了

出品：科普中國

制作：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 郭光燦 中國科普博覽

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

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