【原】深度科普：量子力學(xué)到底講述了什么？為什么如此詭異？

最近幾年，“量子”一詞成為科技圈的熱詞，如同前幾年的“納米”概念一樣，廣泛被應(yīng)用在各類產(chǎn)品中。

比如，“量子波動(dòng)速讀”，這種技能源自日本，被宣傳為可以讓孩子們?cè)?分鐘內(nèi)快速閱讀完一本十萬(wàn)字的書籍，并且能將內(nèi)容完全復(fù)述出來(lái)，甚至能夠閉著眼睛與書籍產(chǎn)生感應(yīng)。支持者聲稱這是利用了光的波粒二象性和量子糾纏的原理。具體解釋是：

利用量子糾纏的效應(yīng)，產(chǎn)生波粒二象性，使得讀者的大腦與書本之間產(chǎn)生共鳴。它可以改變傳統(tǒng)的閱讀過(guò)程，將“看、讀、理解”簡(jiǎn)化為“看、理解”，經(jīng)過(guò)培訓(xùn)，可達(dá)到“書中文字快速成像、光波如同電影般回放、一目十行過(guò)目不忘”的神奇效果，甚至無(wú)需睜眼，就能和書本進(jìn)行心靈感應(yīng)，領(lǐng)會(huì)書中的內(nèi)容及作者意圖。

然而，更離譜的是所謂的“量子接骨”，有廣告稱“通過(guò)量子干預(yù)技術(shù)，可以遠(yuǎn)程治療骨折……”，甚至還宣稱，只需提供一塊土地的航拍圖，確定其地理位置，便可運(yùn)用“量子干預(yù)”，大幅提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，“改良后的農(nóng)產(chǎn)品不僅無(wú)公害，品質(zhì)也極高，簡(jiǎn)直不可思議。”

多年來(lái)，許多營(yíng)銷人員為了吸引消費(fèi)者，將這些高端術(shù)語(yǔ)隨意套用到產(chǎn)品之上，給人一種高科技、權(quán)威的印象，如早些年的納米汗蒸等。盡管這些概念只要稍加思考就能發(fā)現(xiàn)漏洞，但仍有人紛紛上當(dāng)受騙。

那么，到底什么是量子呢？它又有哪些作用？讓我們來(lái)深入了解一下！

量子，是現(xiàn)代物理學(xué)中的核心概念。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)物理量存在最小的、不可再分割的基本單位，那么這個(gè)物理量就是量子化的，而那個(gè)最小單位被稱為量子。

1900年，普朗克首次提出量子概念，用以解決當(dāng)時(shí)物理學(xué)界一個(gè)棘手的問(wèn)題——“紫外災(zāi)難”。紫外災(zāi)難，指的是在19世紀(jì)末，科學(xué)家們?cè)谘芯侩姶挪〞r(shí)，發(fā)現(xiàn)了黑體輻射問(wèn)題：在經(jīng)典物理學(xué)理論的預(yù)測(cè)中，黑體輻射的強(qiáng)度在紫外波段會(huì)無(wú)限大，這與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果嚴(yán)重不符。普朗克提出，在與物質(zhì)相互作用時(shí)，光輻射的能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，每一份“能量”即為一個(gè)“量子”。

然而，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界并不太接受這個(gè)新概念，包括普朗克本人，他們都試圖把量子概念融入到經(jīng)典物理學(xué)的框架中，但均以失敗告終。

愛(ài)因斯坦卻對(duì)這個(gè)概念產(chǎn)生了興趣，并提出了“光量子假說(shuō)”，認(rèn)為光不僅在與物質(zhì)相互作用時(shí)的能量是一份一份的，光的能量本身也是“量子化”的，一份能量就是光的最小能量單元，即“光量子”，也簡(jiǎn)稱為“光子”。

在此基礎(chǔ)上，以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派發(fā)展出了量子力學(xué)，并提出了“哥本哈根詮釋”，這個(gè)詮釋成為了量子力學(xué)的主流解釋。它包括了恩的概率解釋、海森堡的不確定性原理和玻爾的互補(bǔ)原理。量子力學(xué)與相對(duì)論共同構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。

經(jīng)典世界，指的是由遵從經(jīng)典運(yùn)動(dòng)規(guī)律（如牛頓力學(xué)、電磁場(chǎng)理論）的物質(zhì)構(gòu)成的世界；而量子世界，則是由遵從量子力學(xué)規(guī)律的物質(zhì)構(gòu)成的世界。量子，就是指量子世界中的物質(zhì)客體，既可以是微觀粒子如光子、電子、原子、原子核、基本粒子等，也可以是宏觀尺度下的量子系統(tǒng)，如BEC（玻色-愛(ài)因斯坦凝聚）、超導(dǎo)體等，它們共同遵循量子力學(xué)的規(guī)律。

量子最重要的性質(zhì)之一是量子疊加和量子糾纏。

提到量子疊加，最著名的例子莫過(guò)于“薛定諤的貓”了。薛定諤設(shè)想了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)盒子中放有一只貓和一些放射性物質(zhì)。放射性物質(zhì)有50%的幾率會(huì)衰變并釋放毒氣殺死貓，同時(shí)有50%的幾率不衰變而貓會(huì)存活。

根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，這兩個(gè)結(jié)果中的一個(gè)必將發(fā)生，而外部的觀測(cè)者只有打開盒子才能確定結(jié)果。但在量子世界中，盒子關(guān)閉時(shí)整個(gè)系統(tǒng)處于不確定的波函數(shù)疊加態(tài)，即貓?zhí)幱谏蜡B加狀態(tài)。我們只有在打開盒子的那一刻，才能確切知道貓是死是活。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)到電子雙縫實(shí)驗(yàn)。

在德布羅意提出波粒二象性后，戴維孫和革末通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了一切物質(zhì)都具有波粒二象性。量子力學(xué)認(rèn)為，在未觀測(cè)粒子時(shí)，它們以波的形式運(yùn)動(dòng)，因此可以通過(guò)干涉在穿過(guò)雙縫后形成明暗條紋。而一旦觀測(cè)，粒子立刻選擇成為粒子，不再產(chǎn)生干涉，條紋也就消失了。

然而，值得注意的是，薛定諤忽略了量子力學(xué)主要適用于微觀領(lǐng)域的事實(shí)，宏觀世界有時(shí)無(wú)法用微觀世界的規(guī)則來(lái)解釋。

量子力學(xué)的一個(gè)核心觀點(diǎn)是，粒子可以處于疊加態(tài)，即同時(shí)具有相反的特性，也就是波粒二象性。盡管我們?cè)谌粘Ｉ钪谐３Ｃ媾R“非此即彼”的選擇，但在微觀世界中，“既是此又是彼”的情況是被允許的，就像我們描述一個(gè)人時(shí)，不能簡(jiǎn)單地區(qū)分善惡一樣。

薛定諤的貓實(shí)驗(yàn)生動(dòng)地揭示了量子力學(xué)的本質(zhì)——一個(gè)量子系統(tǒng)可以處于不同量子態(tài)的疊加狀態(tài)。

疊加狀態(tài)還會(huì)導(dǎo)致量子糾纏。在量子力學(xué)中，當(dāng)幾個(gè)粒子相互作用后，它們的性質(zhì)成為整體特性而不可單獨(dú)描述，只能描述整個(gè)系統(tǒng)的性質(zhì)，這就被稱為量子纏結(jié)或量子糾纏。

量子糾纏是一個(gè)純粹發(fā)生在量子系統(tǒng)的現(xiàn)象，在經(jīng)典力學(xué)中并不存在類似現(xiàn)象。例如，在微觀世界中，兩個(gè)糾纏的粒子可以無(wú)視距離進(jìn)行瞬間相互作用。也就是說(shuō)，如果地球上的一個(gè)糾纏粒子測(cè)量出其自旋向下，那么月球上的另一個(gè)糾纏粒子的自旋必定向上。

總而言之，量子力學(xué)的世界充滿了神奇與未知，而“量子”一詞也不應(yīng)被濫用于營(yíng)銷目的。理解量子力學(xué)，將幫助我們揭開自然的更多奧秘。

另一方面，量子領(lǐng)域還有一個(gè)引人入勝的現(xiàn)象，那就是量子隧道效應(yīng)。不妨這樣想象，若我們跋山涉水，前方高山聳立擋道，常規(guī)路徑必然是要翻山越嶺。但若換成微觀領(lǐng)域的粒子，情況就大不一樣了。即便能量未達(dá)要求，粒子也能如幽靈般直接穿透山巒。這便是所謂的量子隧道效應(yīng)，也即粒子的“穿墻術(shù)”。

我們所談?wù)摰幕玖Ｗ?，不具有固定的形態(tài)和路徑，其最大的特質(zhì)便是不確定性。它們既像波動(dòng)，又似粒子。就如同我們對(duì)著墻壁呼喊，盡管大部分聲波被反射回來(lái)，總有那么一部分會(huì)衍射穿過(guò)，傳入他人耳中。因?yàn)閴Ρ诓⒎侨忾]的屏障，它在反射聲波的同時(shí)，也在一定程度上讓物質(zhì)波得以滲透。

在目前階段，量子科學(xué)的主要應(yīng)用集中在量子通信和量子計(jì)算機(jī)兩大領(lǐng)域。

若兩個(gè)粒子處于糾纏狀態(tài)，無(wú)論彼此相距多遠(yuǎn)，其中一個(gè)的狀態(tài)發(fā)生改變，另一個(gè)也會(huì)立即隨之改變。這種特性使得光量子通信成為可能：先是準(zhǔn)備好一對(duì)糾纏粒子，分置通信兩端，隨后將一個(gè)未知量子態(tài)的粒子與發(fā)送端的粒子進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，接收端的粒子便會(huì)立即發(fā)生塌縮，塌縮狀態(tài)與發(fā)送端粒子的變化相對(duì)應(yīng)。接著將聯(lián)合測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)傳統(tǒng)信道傳遞給接收方，接收方據(jù)此對(duì)塌縮的粒子進(jìn)行逆操作，便能復(fù)制發(fā)送方的未知量子態(tài)。

相對(duì)于傳統(tǒng)的經(jīng)典通信，光量子通信在安全與效率方面遙遙領(lǐng)先。特別是安全性方面，量子通信具有“絕對(duì)安全”的美譽(yù)，被視為未來(lái)信息社會(huì)通信隱私的關(guān)鍵保障技術(shù)。

從潘建偉教授首次實(shí)現(xiàn)百公里級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，到2016年墨子號(hào)量子衛(wèi)星的成功發(fā)射，中國(guó)科學(xué)家在量子通信領(lǐng)域取得的突破舉世矚目。

最新成果表明，中國(guó)“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的量子糾纏，標(biāo)志著量子通信的實(shí)用化邁出了決定性的一步。

目前，量子通信正致力于實(shí)現(xiàn)基于糾纏的量子密鑰分發(fā)。量子密鑰分發(fā)正是利用了量子力學(xué)的特性，使通信雙方能生成并共享一個(gè)隨機(jī)且安全的密鑰，以此來(lái)加密和解密信息。

量子密碼學(xué)的核心正是量子密鑰分發(fā)，它利用了量子力學(xué)的特性來(lái)保證通信的安全性。這使得通信雙方能夠產(chǎn)生并分享一個(gè)隨機(jī)的、安全的密鑰，來(lái)加密和解密消息。

我們需要特別指出，量子糾纏的產(chǎn)生并不是通過(guò)簡(jiǎn)單的手段能夠?qū)崿F(xiàn)的。事實(shí)上，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)展出多種制備量子糾纏的方法和途徑。最常用的是利用激光照射非線性晶體，由此產(chǎn)生糾纏光子對(duì)。因此，任何宣稱通過(guò)簡(jiǎn)單的手段就能利用量子糾纏原理的產(chǎn)品，幾乎可以斷定是誤導(dǎo)性的。

由于量子疊加的特性，糾纏光子的產(chǎn)生是概率性的。在眾多由參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光子對(duì)中，只有一對(duì)是糾纏的，而且我們無(wú)法提前知道哪一對(duì)是糾纏光子。我們只能通過(guò)能夠識(shí)別糾纏的探測(cè)裝置來(lái)確認(rèn)，但一旦確認(rèn)了糾纏的存在，這種糾纏狀態(tài)也會(huì)因?yàn)闇y(cè)量而消失。這正是當(dāng)前量子通信技術(shù)應(yīng)用的局限之一。

量子計(jì)算機(jī)則被廣泛認(rèn)為是第四次工業(yè)革命的核心引擎。目前科學(xué)界普遍認(rèn)為，第四次工業(yè)革命將在核聚變、量子技術(shù)、5G、人工智能、基因工程等領(lǐng)域中孕育而出。

現(xiàn)有的經(jīng)典計(jì)算機(jī)發(fā)展已遭遇瓶頸，隨著晶體管尺寸的縮小，集成的元器件數(shù)量增多，產(chǎn)生的熱量也隨之增加。此外，隨著元器件尺寸的降低，電子有可能穿過(guò)元器件，發(fā)生量子隧道效應(yīng)，導(dǎo)致經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的比特開始變得不可靠。

科學(xué)家們相信量子計(jì)算機(jī)能夠突破當(dāng)前困境，因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)遵循量子力學(xué)規(guī)律，能進(jìn)行高速的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)以及處理量子信息。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比特非0即1，而量子計(jì)算機(jī)中的量子比特可以處于即是0又是1的量子疊加態(tài)，這賦予了量子計(jì)算機(jī)不可思議的超高速計(jì)算能力。

例如，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在執(zhí)行“如果x=0，則運(yùn)行A；如果x=1，則運(yùn)行B”的指令時(shí)，只會(huì)順序執(zhí)行一個(gè)邏輯分支，要么是A，要么是B，或者兩種情況各運(yùn)行一次。但在量子計(jì)算機(jī)中，由于變量X是量子疊加態(tài)，既為0也為1，因此它可以同時(shí)執(zhí)行A和B，這便是我們所稱的量子比特或量子位，成為量子信息的計(jì)量單位。

總而言之，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用0和1來(lái)進(jìn)行計(jì)算，量子計(jì)算機(jī)也是如此，但區(qū)別在于，量子計(jì)算機(jī)的0和1可以同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算。在經(jīng)典系統(tǒng)中，一個(gè)比特在同一時(shí)刻只能是0或1，而量子比特則可以是0和1的疊加，這就是量子計(jì)算機(jī)的獨(dú)特計(jì)算特性。

因此，如果量子比特的數(shù)量增加到10個(gè)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要進(jìn)行2^10=1024次計(jì)算，而量子計(jì)算機(jī)僅需一次。再將量子比特?cái)?shù)增加到100個(gè)、1000個(gè)、10000個(gè)，乃至更多，差距就會(huì)變得極為明顯。量子計(jì)算機(jī)可以在幾分鐘內(nèi)完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)可能需要數(shù)萬(wàn)年才能解決的問(wèn)題。

目前全球都在積極探索量子計(jì)算機(jī)，其在未來(lái)的核試驗(yàn)?zāi)M、現(xiàn)代武器研發(fā)、航天衛(wèi)星等國(guó)防科技領(lǐng)域，以及氣象、物理、探測(cè)、材料科學(xué)和納米技術(shù)、人工智能、深度學(xué)習(xí)、生物醫(yī)藥、基因工程、金融分析等新興領(lǐng)域都將發(fā)揮重要作用。在未來(lái)5G甚至6G時(shí)代，它將以共享服務(wù)器云計(jì)算的形式，發(fā)揮其強(qiáng)大的運(yùn)算速度和大數(shù)據(jù)處理能力。

然而，我們也應(yīng)明辨網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于“量子肥料”、“量子水”、“量子接骨”、“量子波動(dòng)速讀”等所謂概念，這些都是不實(shí)之辭。量子糾纏與量子波動(dòng)等概念，與人腦的聯(lián)系尚未明晰。人腦的記憶行為通常與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元回路有關(guān)，屬于復(fù)雜系統(tǒng)或系統(tǒng)科學(xué)研究的范疇，量子力學(xué)在此領(lǐng)域尚未發(fā)揮作用。

最后，提醒廣大家長(zhǎng)，教育子女切勿急功近利。在現(xiàn)代社會(huì)的壓力之下，家長(zhǎng)盼子成龍的心情可以理解，但不應(yīng)操之過(guò)急，避免陷入陷阱，對(duì)孩子造成不良影響。