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量子是啥?

2018-4-9

量子是啥?看了你不會信量子水了

出品:科普中國

制作:中國科學技術大學 郭光燦 中國科普博覽

監制:中國科學院計算機網絡信息中心

  序

  本人上世紀八十年代初期開始致力于量子光學研究,九十年代初又擴展到剛剛萌芽的量子信息領域。當時國內學術界對量子信息領域的研究呈現出相當冰冷的狀態,而民眾更是將量子力學視為高懸在學術殿堂之上的圣物,敬而遠之。

  近幾年來,隨著量子信息的飛速發展,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“量子現象”描繪得神秘無比,仿佛世界上所有難以解決的事情都可歸結到“量子糾纏”上。個別學者不實的夸大宣傳,部分媒體的不斷炒作,造成當前關于“量子世界”形形色色的奇談怪論,引發各界激烈的爭論。

  究竟量子力學能為人類提供什么真實有用的技術?目前宣傳的量子現象,哪些是科學的預言,哪些是人們杜撰出來的虛無之物?在學術界朋友的催促下,本人將媒體上種種議論匯聚為十個問題,談談個人的看法。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”網絡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實驗室的周正威、孫方穩、李海歐、周宗權等師生的通力協助,才能在較短時間內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“紫外災難”問題。

普朗克

  普朗克假定,光輻射與物質相互作用時其能量不是連續的,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。

  然而當時的物理界,包括普朗克本人,都討厭“量子”這個怪物,千方百計想要將它消化在經典物理的世界之中,但卻屢試不果。唯有愛因斯坦獨具慧眼,他認為光輻射不僅在于與物質相互作用時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”概念的啟發下提出:既然看似波動的光輻射,具有“粒子”特性,那么像電子這類看似“粒子”的物質,也應具有波動性。這就是“德布羅意物質波”的概念,由此引發后繼大量理論與實驗研究,證實所有微觀粒子都同時具有波動性和粒子性二象性。這些奇異特性的微觀粒子構成“量子世界”,遵從量子力學的運動定律。

  隨著科學技術的發展,人們認識到“量子世界”不僅限于微觀和單個粒子,某些宏觀尺度下的多粒子系統也遵從量子力學規律。例如玻色—愛因斯坦凝聚(BEC),當原子聚合的溫度足夠低時,所有處于不同狀態的原子,會突然聚集在同一個盡可能低的能量狀態上,其行為就像一個“放大”的玻色子,遵從量子力學規律。

  我們按物理運動規律的不同,將遵從經典運動規律(牛頓力學,電磁場理論)的那些物質所構成的世界稱為“經典世界”,將遵從量子力學規律的那類物質所構成的世界稱為“量子世界”。“量子”就是量子世界中物質客體的總稱,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、超導體、“薛定諤貓”等宏觀尺度下的量子系統,它們的共同特征就是必須遵從量子力學的規律。

  舉一個例子說明“量子”與“經典”的本質區別,經典世界的特點是物體的物理量、狀態在某個時刻是完全確定的:晶體管要么導通,要么關閉,完全確定。即經典信息要么是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驗技術無關,是量子世界的本質特征,無法消除。這個特征體現在量子力學中重要的量子態疊加原理上。

  量子態又稱波函數或幾率幅,它沒有任何經典對應。雖然人們并不喜歡量子世界的這種描述,因為它與我們所熟悉的經典世界截然不同,但一百多年來所有實驗都證實了量子力學的所有預言,人們不得不承認這種描述是正確的。

費曼

  事實上,量子力學的所有奇異特性正是源于這個幾率幅。當然,近百年來對量子力學爭論不休也在于這個幾率幅(量子態)。

  目前,網絡上就在流傳什么“量子肥料”、“量子水”等忽悠人的詞,將來還可能出現“量子炸彈”、“量子導彈”……這些忽悠大眾的名詞將本來應是光輝純潔的學術領域炒作得烏煙瘴氣,真假不分,魚目混珠。

  其實,人們只要搞懂“量子比特”的本質,就可以戳穿“假量子”的騙局。

  例如,激光測距實驗,從目標反射回來的光束,其強度隨距離不斷衰減,當探測器無法探測到光時,就是最長的測量距離。當然,如果采用單光子探測器,則測量距離必然增長。

  這里測到的是單個光子,是否可以稱它為“量子測距”呢?

  答案是否定的,因為它沒用到光子的量子態,這只是將激光測距提高到極限靈敏度而已,仍屬于經典范疇。密立根當年在實驗上測量單個電子的電荷,雖然采用單個電子,但這仍然屬經典物理實驗,因為在該實驗中,“單電子”只是作為電荷最小單元,而未涉及到任何量子特性。

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出處:據科普中國

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