第1章　漫話：量子計算機來了

1.1　量子技術的前世今生

1.1.1　先說說什么是量子

量子究竟是什么？

我們知道，構成物質的最小單元是基本粒子，而量子就是質量、體積、能量等各種物理量的最小單元，而且它也要以某種粒子狀態存在。簡單地講，量子不是粒子，它是計量能量的最小單位。

最早，量子是被一個叫普朗克的德國物理學家（如圖1-1所示）在1900年提出來的，后來陸陸續續經過許多科學家的努力，其中也包括大名鼎鼎的愛因斯坦，使得量子科學體系不斷完善。

如果用通俗的話描述量子，就可以這么理解：世界上，有些東西是連續的，例如打開水龍頭，有水流出來，根據水龍頭打開的大小，水流可以連續地發生變化。但有些東西就不能這樣了，例如機槍，射出的子彈就不能連續變化，要么一個，要么兩個，總之是n個，n只能是整數，你用機槍發射1/2個子彈試試？

平常，人們看到的物質是由原子組成的，可是原子世界的運動規律與宏觀世界完全不同。例如，原子的能量不是連續變化的，而是一份一份的，物理學家就把其中最小的一點點分量叫作量子。后面講到的，當今最火的量子通信就是利用這種規律做出來的通信技術。

科學家發現，光線也是不連續的，而是由一個一個光子組成的，人們稱之為光量子。研究量子的科學，叫量子力學。隨著研究的深入，科學家發現，微觀世界的各種基本粒子，無一例外，都服從量子力學的規律，這些規律和人們日常所見的宏觀世界的規律大相徑庭，這讓人們瞠目結舌，困惑不解。

1.1.2　宏觀世界和微觀世界是那么的不同

宏觀世界與微觀世界是那么的不同，例如，在宏觀世界，波和粒子是不同的概念，但在微觀世界，兩者可以統一起來。例如光線，既可以看成是波——光波，又可以看成是粒子——光子，具有“波粒二重性”。

當愛因斯坦第一次提出光的“波粒二重性”的時候，遭到大多數人的嘲笑和攻擊：什么意思？每周1、3、5是波，2、4、6是粒子，輪流坐莊？這不是胡說八道嗎？

然而，實驗證明，愛因斯坦是對的：任何時候，光都有波粒二重性。人們理解不了，也沒有辦法，只能慢慢理解吧。

還有，在宏觀世界，一個物體的速度和位置，是可以同時準確測定的，例如飛機來了，雷達可以把飛機的速度、位置都準確測定。但對于微觀粒子，就不行了，科學家發現，如果把一個基本粒子的位置測準了，它的速度就測不準了。還有，時間和能量，也只能測準其中之一。這就是著名的“測不準原理”。

順便說一句，在微觀世界，測量可不是一件簡單的事，測量會破壞或改變微觀粒子的狀態。

還有一種難以理解的現象，就是量子糾纏。

如果把兩個基本粒子“糾纏”起來（如何糾纏后面再講），然后把這兩個粒子分開，一個放在北京，一個放在上海，當你改變北京那個粒子的狀態時，上海那一個粒子的狀態也會同時改變，盡管它們之間沒有發生任何聯系。

這種“超距作用”的傳播距離，還可以更遠，理論上，即使兩個粒子相隔若干光年，例如一個放在地球上，另一個放到織女星上，也是可以相互影響的。

這種現象，在歷史上被愛因斯坦稱為“鬼魅學說”，他認為違反了因果律和定域性原則，是不可信的，為此，他和量子力學的代表人物——丹麥物理學家玻爾，爭論了很多年。

但是，近年來越來越多的實驗證明，愛因斯坦可能錯了。

2015年10月25日，荷蘭代爾夫特理工大學的科學家們把兩顆鉆石分別放在代爾夫特理工大學校園內的兩側，距離1.3km。每塊鉆石含有一個可以俘獲單個電子的微小空間，每個空間放置一個被糾纏過的電子，它們之間，沒有任何方式的聯系。實驗證明，確實存在這種奇異的“超距作用”，改變其中一個的狀態，另一個的狀態也發生了改變。