專家講述

量子的星光大道

量子信息理論與技術(shù)專家、國防科技大學陳平形教授為您講述

◎它的出現(xiàn)，直接顛覆了牛頓等科學家建立起來的經(jīng)典物理觀。

◎它的身上隱藏著無窮的奧秘，每一次發(fā)現(xiàn)都能產(chǎn)生變革性影響。

◎近百年來的諾貝爾物理學獎獲得者，多半與它息息相關(guān)。

量子是最小的、不可再分割的能量單位。相對于宏觀物理世界，量子有很多神奇特性，最有代表性的當屬量子“疊加”與量子“糾纏”。前者意味著量子可以同時處于不同的狀態(tài)，而且可以處于這些狀態(tài)的疊加態(tài)；后者則意味著相互獨立的粒子可以完全“糾纏”在一起，無論相隔多么遙遠，當一個量子的狀態(tài)發(fā)生變化時，另一個就會“心靈感應(yīng)”般地發(fā)生相應(yīng)變化。

量子，究竟有何神奇之處？現(xiàn)在就讓我們來揭開它的神秘面紗。

量子自述：認識我需要勇氣

有人說，沒有假說就沒有科學。我覺得這句話太對了。我的名字就源于一個著名的假說。

我出生于1900年12月14日。那一天，我的伯樂——德國物理學家普朗克提出一個假設(shè)：量子是光場能量的最小單元，原子吸收或發(fā)射能量是一份一份進行的。

或者，你可以這樣來理解我：原子吸收輻射，可以說是原子“吃”輻射，它不是像喝牛奶那樣，一口一口地“喝”，而是像吃米粒一樣，一粒一粒地“吃”，每個米粒就是食物的最小單位。我，就是那個能量“米粒”。

要知道，這是一個驚世駭俗的假說。一直以來，我們的物質(zhì)狀態(tài)被認為是連續(xù)的、確定的。但我的誕生讓傳統(tǒng)意義上的狀態(tài)連續(xù)性喪失了，直接顛覆了牛頓等科學家建立起來的經(jīng)典物理觀。

隨著我的不斷成長，各種石破天驚的觀點橫空出世。波粒二象性構(gòu)成了量子性質(zhì)的核心。它與概率解釋共同“摧毀”了經(jīng)典世界的確定性，互補原理和不確定原理又合力搗毀了世界的客觀性和實在性。總之，在我的視線里，這個世界再也不是確定的世界。

怎么樣，是不是覺得我越說你越困惑？這就對了，在這個問題上，愛因斯坦和你是一個處境。我的另一個伯樂、量子論的奠基人之一——玻爾曾經(jīng)感慨地說：“如果誰不為量子論感到困惑，那他就沒有理解量子論。”

認識我需要勇氣。在我的成長道路上，一直伴隨著爭議和論戰(zhàn)。20世紀最著名的物理學家?guī)缀跞烤砣肫渲校麄兒龆锩龆Ｊ兀龆l(fā)現(xiàn)我、提攜我，忽而嘲諷我、懷疑我，但最終，多數(shù)人選擇承認我、接受我。

今天，盡管我已經(jīng)100多歲了，并已經(jīng)爆發(fā)出巨大能量，但科學家們認為我尚未進入“青春期”。原因很簡單，關(guān)于我的很多問題，至今仍然難以回答。

我的未來，期待更多伯樂。

非典型明星的發(fā)現(xiàn)之旅

在經(jīng)典物理殿堂里，這些明星光彩四射：牛頓力學體系神圣不可侵犯；麥克斯韋方程被譽為上帝譜寫的詩歌；愛因斯坦相對論的光芒稍經(jīng)發(fā)掘后便立即照亮了整個時代。

與它們比起來，量子論絕對是物理學界的非典型明星。在量子論身上沒有天才的個人標簽，是整整一代精英共同成就了它的榮光。

在量子的星光大道上，鐫刻著物理史上最偉大的名字：普朗克、玻爾、愛因斯坦、德布羅意、海森堡、薛定諤、波恩、泡利、狄拉克……

這是一個非典型明星的發(fā)現(xiàn)之旅。

起先，它的幽靈從普朗克的假設(shè)中游蕩出來，并不引人矚目。但很快，科學家們便感受到了它的電閃雷鳴。它所帶來的震撼力和沖擊力是如此巨大，以至于它的成長史上遍布這樣一個怪圈：科學巨匠們參與了推動它的工作，卻因為不能接受它驚世駭俗的解釋而紛紛站到了保守一方。

1900年，被黑體輻射實驗困擾了多年的普朗克，雖然以量子假說擺脫了困擾，并于八年后獲得諾貝爾物理學獎，但他此后很長一段時間都躊躇不前，不敢承認量子的現(xiàn)實。

你能想到嗎？以相對論聞名于世的愛因斯坦獲得諾貝爾獎，不是因為相對論，而是因為他在1905年提出光量子概念，并解釋了光電效應(yīng)。然而，愛因斯坦此后一生都在對量子論提出種種質(zhì)疑。

緊接著，薛定諤率先沿著物質(zhì)波概念成功確立了量子波動方程，為量子理論找到了一個基本公式。但最終，薛定諤也加入到保守和質(zhì)疑的陣容……

堅定的支持者并非沒有。以玻爾、海森堡為代表的哥本哈根學派，提出“波粒二象性”設(shè)想，打破了經(jīng)典世界里物質(zhì)波與粒的涇渭分明。按照這個設(shè)想，處于所謂“疊加態(tài)”的微觀粒子的狀態(tài)是不確定的。

“不確定性”成了量子論的一個基礎(chǔ)，也撼動了經(jīng)典物理學大廈下的堅固基石。對此深深質(zhì)疑的愛因斯坦拋出了一句世人皆知的話：“上帝是不擲骰子的！”

玻爾反擊的話同樣有名：“你沒法告訴上帝該做什么！”

量子就這樣在同它自身創(chuàng)建者的斗爭中成長起來。接下來的半個多世紀中，物理學家們一直都忙著弄清愛因斯坦和玻爾究竟誰對誰錯。物理學主流觀點認為，從20世紀80年代到現(xiàn)在的無數(shù)次實驗，都證明了正統(tǒng)的量子理論是對的，而不支持愛因斯坦。

歡迎來到量子世紀

也許，量子最耀眼的時刻還未到來，但畢竟這位非典型明星走上了它的星光大道。

檢索近百年的諾貝爾物理學獎獲得者名單，他們多半都和量子力學研究有關(guān)。此外，量子力學還積極地促進了生物學、數(shù)學、信息科學、化學、核物理學，甚至心理學、哲學的發(fā)展。

放眼我們?nèi)粘Ｉ畹拿恳粋€角落，從半導體到核能，從激光到電子顯微鏡，從集成電路到分子生物學，量子論無疑成為有史以來在實用中最成功的物理理論。

科學家們深信，最激動人心的時刻還在后面。我們已經(jīng)走過機械世紀、進入信息世紀，現(xiàn)在，歡迎來到量子世紀。

量子世紀的圖景將會是什么樣的？我們或許可以從目前世界各國爭相角逐的制高點——量子信息領(lǐng)域窺出部分答案。

種種跡象表明，在這個領(lǐng)域，一些重要的科學問題和關(guān)鍵核心技術(shù)已經(jīng)呈現(xiàn)出革命性突破的先兆。

這些突破意味著什么？

摩爾定律認為，計算機芯片上可以容納的晶體管數(shù)量每隔18個月就會翻一番。芯片自20世紀50年代末發(fā)明以來，其集成度已提高了5千多萬倍，特征尺寸則縮小到一根頭發(fā)絲直徑的萬分之一，幾乎達到了極限。

這樣，計算機芯片將不可避免地進入微觀的量子世界，傳統(tǒng)計算機的物理基礎(chǔ)將失效。量子信息領(lǐng)域的相關(guān)研究，不僅有助于突破摩爾定律的限制，還將在量子通信、量子計算、量子成像、量子精密測量等領(lǐng)域帶來全新體驗。

●　研發(fā)無法破譯的量子密碼。根據(jù)量子的測不準原理，一旦你試圖截獲并破譯量子密碼，就意味著對量子態(tài)的測量，測量意味著干擾，量子瞬間就改變了原來的狀態(tài)。

●　研制量子計算機。根據(jù)量子的不確定性，量子計算機的每一個量子比特的狀態(tài)既可以是1或0，也可以同時是1和0，即所謂1和0的疊加狀態(tài)。隨著量子比特數(shù)目的增加，這種被疊加的狀態(tài)數(shù)目指數(shù)隨之增加，這就給超并行計算能力帶來可能。

●　實現(xiàn)量子成像。根據(jù)量子糾纏特性，兩個有共同來源的微觀粒子之間存在著某種糾纏關(guān)系，糾纏使得這兩個粒子高度關(guān)聯(lián)。當用糾纏的光子作為光源實現(xiàn)成像時，成像的分辨率和抗干擾性大為增強。

小粒子撬動軍事變革

量子對戰(zhàn)爭的影響究竟有多大？

原子彈的威力已經(jīng)廣為人知，但你可知道，量子論對原子彈的研制成功起到了重要的作用。因為它揭示了質(zhì)量也是一種能量的表象，質(zhì)量虧損可以釋放大量能量，而后又發(fā)現(xiàn)了鏈式反應(yīng)，這就為原子彈研制提供了依據(jù)和理論支持。

1948年，美國科學家根據(jù)量子理論發(fā)明了晶體管，從而開創(chuàng)了全新的電子信息科技時代。1991年海灣戰(zhàn)爭爆發(fā)，正是憑借電子信息科技的優(yōu)勢，美國拉開了世界新軍事變革的序幕，并長期扮演領(lǐng)跑角色。

翻閱當下的軍事新聞，量子正在成為頻度很高的熱詞——

美國研究人員通過光子的量子特征研制出可探測隱身飛機的技術(shù)；英國正在研究的一項潛艇量子通信技術(shù)，或?qū)氐赘淖兡壳皾撏У耐ㄐ欧绞剑患幽么蟮腄-Wave公司聲稱能生產(chǎn)解決特殊難題的量子計算機……

正如恩格斯所言：“一旦技術(shù)上的進步可以用于軍事目的并且已經(jīng)用于軍事目的，它們便立刻幾乎強制地，而且往往是違反指揮官的意志而引起作戰(zhàn)方式上的改變甚至變革。”現(xiàn)在，量子這個微觀世界的小粒子，又站到了撬動宏觀世界軍事變革的機遇之門前。

當前，以美國為代表的世界主要軍事強國高度關(guān)注量子科技發(fā)展動向，主要涉及量子通信和量子密鑰、量子計算、量子成像及量子精密測量等領(lǐng)域。

量子信息科技到底將會把戰(zhàn)爭引向何方，或許目前還不能下定論。但回眸科技驅(qū)動的千古戰(zhàn)史，一支軍隊絕不能對未來的任何可能掉以輕心。因為軍事家杜黑早就指出：“勝利只向那些能預(yù)見戰(zhàn)爭特性變化的人微笑，而不是向那些等待變化發(fā)生才去適應(yīng)的人微笑。”