官方网站-首页

【导语】量子，这个听起来既神秘又高科技的词汇，实际上与我们的生活息息相关。从量子力学、量子材料到量子信息和量子计算，量子科学正在不断拓展其边界。本文将带您一窥量子的本质，探索其“反直觉”的特性，并介绍量子通信、量子计算和量子精密测量等前沿应用。尽管量子世界难以直观感知，但它无时无刻不在影响着我们的日常生活，未来更将引领一场科技革命。让我们一同揭开量子的神秘面纱，展望其带来的无限可能。

你可能从某处听过“量子”这个东西，也很有可能听说过量子跟其他东西的搭配，诸如量子力学、量子材料、量子信息、量子计算……之类的。但量子到底是什么呢？

量子和它的“反直觉”

我们在物理学上都学过，物质是原子组成的。原子内部则是质子、中子和电子。后来，科学家们发现我们的世界可以最终划分成有限种类的一群基本粒子。在这个层面上，无论我们如何探索，所分析的都是物质结构的基本单元。但量子跟它们不一样，它并不是指特定的某些粒子。如果某个物理量存在最小的不可分割的基本单元，我们就说这个物理量是量子化的，把这个最小单元就称为量子。从这个意义上说，量子是物质的一种属性，它可是物质的质量、能量、电荷、磁矩等等各种属性对应的基本单元。

图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷

打个不是太精确的比方，全世界各个国家都发行了自己国家的货币。每个国家的货币，名字大都不太一样(yàng)，有(yǒu)人(rén)民(mín)币(bì)、美(měi)元(yuán)、英(yīng)镑(bàng)、日(rì)元(yuán)、越(yuè)南(nán)盾(dùn)、伊(yī)拉(lā)克(kè)第(dì)纳(nà)尔(ěr)等(děng)等(děng)，它(tā)们(men)的(de)汇(huì)率(lǜ)、购(gòu)买(mǎi)力(lì)也(yě)不(bù)太(tài)一(yī)样(yàng)。但(dàn)是(shì)所(suǒ)有(yǒu)的(de)货(huò)币(bì)，都(dōu)存(cún)在(zài)一(yī)个(gè)最(zuì)小(xiǎo)单(dān)位(wèi)，可(kě)以(yǐ)是(shì)分(fēn)，也(yě)可(kě)以(yǐ)是(shì)厘(lí)、便(biàn)士(shì)、费尔、枢……这些最小单位跟它们能购买到的商品未见得有什么直接的关系，但却可以用来度量这些商品——你或许可以试着把量子，想想成物理世界的这种最小单元。

如果我们基于量子物理学来观察整个世界，就会发现一些非常“反直觉”的现象。

首先，量子并不像我们宏观世界看到的实体一样，会有特定的体积和形状。虽然我们经常把看不见的微观粒子统一想象成一个个小球，实际上它们存在的方式是千奇百怪的。它是“波”，有时是出现(xiàn)在(zài)特(tè)定(dìng)某(mǒu)处(chù)的(de)“粒(lì)子(zi)”。这(zhè)就(jiù)是(shì)所(suǒ)谓(wèi)的(de)“波(bō)粒(lì)二(èr)象(xiàng)性(xìng)”。

其(qí)次(cì)，量(liàng)子(zi)的(de)出(chū)现(xiàn)充(chōng)满(mǎn)了(le)不(bù)确(què)定(dìng)性(xìng)，可(kě)以(yǐ)用(yòng)“随(suí)心(xīn)所(suǒ)欲(yù)”来(lái)形(xíng)容(róng)。我(wǒ)们(men)只(zhǐ)知(zhī)道(dào)它(tā)在(zài)某(mǒu)时(shí)某(mǒu)刻(kè)出(chū)现(xiàn)在(zài)某(mǒu)地(de)的(de)概(gài)率(lǜ)有(yǒu)多(duō)大(dà)，却(què)无法知道它是否一定就会出现在那里。所以它可以毫不费力地穿越到微观“墙体”的另一侧，因为它有出现在那侧的概率。

再者，量子的这种不确定性，是可以相互叠加的。也就是说，如果把两个量子放在一起，它们各自具有不确定性，但它们整体又叠加成了新的不确定状态。在特殊情形下，它们各自的不确定性还会纠缠在一起，一旦其中某一个量子状态发生了变化，另一个量子必然会发生对应的变化。有了这些神秘的叠加和纠缠，你就可以实现更加复杂的量子态传输。

最后，量子世界仍然可以回归到宏观世界中来。如果有许许多多的量子叠加或纠缠在一起，就构成了非常复杂的状态。以至于，再要想分辨某一个特定粒子的量子特征，已经是不可能了。比如前面提到的一滴水，如果我们忽略水里面单个原子的具体行为，而只关心这一大群原子的行为，那么我们看到的，就只是一滴水。

所以，要理解量子力学的世界观，最重要的就是要摒弃你在宏观世界根深蒂固的先验概念，并主动去接受那些貌似“反直觉”的物理规律，再最终试图回归到合理的宏观现象中来。

不管你相信还是不相信，我们这个宏观的世界，还是由无数个量子组成的。我们看到的光、听到的声音、感受到的温度，本质上都是量子层面各种复杂的相互作用形成的。所以，你看似感受不到的量子，又无处不在无时不刻地感受到了。

量子通信

量子通信是量子信息科技的一个分支。量子通信不应该简单地从字面理解为用量子来通信，它的真实含义更广泛，是利用量子力学原理对量子态进行操控，在两个地点之间进行信息交互，来完成经典通信所做不到的事情。

按照应用场景和传输的比特类型，量子通信可分为“量子加密通信”和“量子比特传输”两个方向。

第一个方向量子加密通信，以“量子密钥分发”技术或者量子随机数产生技术为基础，建立牢不可破的量子密钥。这也是目前唯一进入产业化的量子通信技术。

量子密钥分发生成的密钥是一组真随机的二进制数，用最简单的异或算法加密就能实现无法破解的密文，几乎不耗费任何计算资源。同时量子力学中的量子不可分割原理和不可克隆定理保证了该密钥在分发过程中不会被任何第三方无感知地截获，就是说任何窃听都会被通信的双方马上发现。

第二个方向“量子比特传输”利用量子纠缠来传输量子比特，是为量子计算机服务的量子通信，将应用于未来量子计算之间的量子互联网。这个方向目前还处于科研阶段，距离实用化和产业化还非常遥远。

量子计算

在芯片中，数百亿个晶体管遵循一种被称为“布尔代数”的二进制逻辑进行运算。随着晶体管的尺寸越来越小，逼近纳米级别，芯片的运算能力已经几乎到达极限了。在这种情况下，人类对超越当前范式的新算力需求呼之欲出了。量子计算应运而生。

在量子世界，信息的最小单位就成了量子比特。逻辑上，它是(shì)一(yī)个(gè)可(kě)相(xiāng)干(gàn)叠(dié)加(jiā)的(de)两(liǎng)态(tài)系(xì)统(tǒng)；物(wù)理(lǐ)上(shàng)，它(tā)是(shì)某(mǒu)个(gè)可(kě)区(qū)分(fēn)的(de)（准(zhǔn)）二(èr)能(néng)级(jí)系(xì)统(tǒng)。量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)的(de)可(kě)叠(dié)加(jiā)性(xìng)，使(shǐ)得(de)他(tā)们(men)的(de)信(xìn)息(xi)编(biān)码(mǎ)能(néng)力(lì)比(bǐ)经(jīng)典(diǎn)比(bǐ)特(tè)要(yào)强(qiáng)很(hěn)多(duō)，但(dàn)这(zhè)还(hái)不(bù)够(gòu)，多(duō)个(gè)量(liàng)子(zi)比(bǐ)特(tè)在(zài)一(yī)起(qǐ)，可(kě)以(yǐ)形(xíng)成(chéng)复(fù)合(hé)系(xì)统(tǒng)，如(rú)果(guǒ)它(tā)们(men)之(zhī)间(jiān)能(néng)够(gòu)纠(jiū)缠(chán)起(qǐ)来(lái)，那(nà)就(jiù)是(shì)见(jiàn)证(zhèng)奇(qí)迹(jī)的(de)时(shí)刻(kè)了(le)。

以(yǐ)两(liǎng)个(gè)量子比特形成的复合系统为例：这个系统可以处于某种量子态，此时将它们当成整体来看，系统是量子的，但一旦单独去看某一个量子比特，系统就不再是量子的。换言之，复合系统只能当做整体来看，从它的子系统上是得不到信息的。从数学上讲，纠缠系统张开了一个更大的直积空间，而这个直积空间的维度是随比特数指数增长的。在这里列举几个恐怖的数字：当 N=50 时，这个空间的维度大约相当于现在最先进的超级计算机一秒的计算次数；当 N=300 时，维度已经超过了整个已知宇宙中所有的原子总和。

纠缠所带来的这种恐怖的维度扩张，为计算问题提供了巨大的处理空间，使得某些问题可以在更高维度上寻求更高效的解决路径。传统计算机及理论经过百余年的发展，已经能够高效解决很多问题，但仍有很多问题无法解决，比如说天气预报，股票价格，癌症药物……如果这些问题都能准确计算，那我们的世界将变得特别美好。

量子精密测量

量子精密测量是量子力学的重要应用之一。精密测量是科学研究的基础。整(zhěng)个现代自然科学和物质文明是伴随着测量精度的不断提升而发展的。经典世界中，一般情况下可以通过两种方式来提高测量精度。第一种是制备和利用分辨率更高的“尺子”。第二种方式是通过多次重复测量来减少测量的误差，提高测量精度。

随着量子力学基础研究的突破和实验技术的发展，人们不断提升对量子态进行操控和测量的能力，从而可以利用量子态进行信息处理和信息传递。利用特定量子态，如纠缠态及压缩态等强关联性质，将噪声对系统的影响大幅降低，进而可以进一步提高测量灵敏度。如果让 N 个量子“尺子”（即量子精密测量中的探针）的量子态处于一种纠缠态上，外界环境对这N个量子“尺子”的作用将会相干叠加，使得最终的测量精度达到单个量子“尺子”的 1/N。这一精度突破了经典力学的散粒噪声极限（根号 N 分之一），是量子力学理论范畴内所能达到的最高精度——海森堡极限。

作为新兴的研究领域，量子精密测量是量子信息技术的重要组成部分。除了可以突破经典力学极限的超高精度之外，还可以抵抗一些特定噪声的干扰。当前，利用电子、光子、声子等量子体系已经可以实现对电磁场、温度、压力、惯性等物理量的高精度量子精密测量，科学家也在实验演示了量子超分辨显微镜、量子磁力计、量子陀螺、量子雷达等，并应用在材料(liào)、生物等相关学科研究中。

结语

你可千万别觉得量子是个看不见摸不着玄而又玄的东西。实际上，如今与量子相关的应用(yòng)已(yǐ)经(jīng)无(wú)处(chù)不在。家里的 LED 灯、手机、电脑，医院里的 CT 或核磁共振扫描，开车用的导航系统，统统都用到了量子科技。在不久的将来，量子计算、量子通信和量子精密测量等量子技术，还将给我们的生活带来翻天覆地的变化！

策划制作

来源丨综合整理自罗会仟、张文卓、金贻荣、薛鹏、姬扬相关文章

责编丨一诺

审校丨徐来、林林