量子力學都不懂？還在説你知道量子科技？_風聞

來源：innovateuk.blog.gov.uk

作為中科院物理所的一名小編，對量子力學可是情有獨鍾。不信你翻翻物理所公眾號的文章，可謂是，“每月一小聊，每年一大聊”。量子力學這個話題，小編都看爛了。

即便如此小編也覺得自己還只是學了點皮毛。前天習大大在中央政治局集體學習中就強調了要充分****認識推動量子科技發展的重要性和緊迫性，加強量子科技發展戰略謀劃和系統佈局，把握大趨勢，下好先手棋。

小編一聞，就開心了，基本原理也就是量子力學嘛，俺學過!不過別一聽到量子科技就開心，在你準備關注量子科技概念股之前。**你真的知道什麼是量子嗎？**如果連量子都不知道，還最後稀裏糊塗地梭哈又稀裏糊塗被套，那小編只能為你祈禱了。

01

你知道量子力學嗎？

量子力學誰不會呀，小編轉頭問下師姐“什麼是量子力學？”，都可能要被問候一句“你是不是傻？。”

可是這**“量子”的概念還真的沒有深入人心呀！**去年我們在五道口做過一個採訪，採訪了路人“什麼是量子力學？”。可以來看看大家的回答。

哎，不懂量子力學不要緊，小編看完只希望看完這篇的小夥伴至少讓長輩們別再給量子概念交智商税了，**動動手指轉發到家庭羣裏去，不轉不是……**小編隨手一搜“量子鞋墊”，第一條就是一家號稱擁有量子科技的公司，什麼量子鞋墊、內衣、襪子就都……量子了？

 

去年還風靡了一段時間的量子波動速讀，

據説通過快速翻閲書本甚至蒙上眼睛，書中的內容就能很快的進入大腦裏。小朋友內心os：我翻，我翻，我再翻……（扶額）這知識咋就不進腦子呢？什麼原理呢，解釋不通？就量子力學唄，可謂是萬物皆可量子力學。

 

02

什麼是量子？什麼是量子力學？

要是不知道量子力學是什麼，那小編建議你戳一下這個視頻，看一看曹則賢老師在今年跨年科學演講的剪輯。

曹則賢老師比喻得很好，我們生活中的可以見到的感知到的事物，包括光和能量的最小單位都能稱之為量子。就像我們遠處看魚羣是烏央烏央的一片黑，但是放大了看就是一隻一隻的魚，這就可以説是魚羣的量子。

來源：曹則賢老師2020跨年科學演講ppt

量子力學可以説是近代物理最有成就的學科之一了，創立於 20 世紀初，也有人稱愛因斯坦的相對論和量子力學並稱為現代物理學的兩大支柱。

來源：曹則賢老師2020跨年科學演講ppt

我們一旦將對物質的研究尺寸縮小到納米（10-9****m）層面，物質就顯現出了量子效應。其中“量子”主要指的是，能量是量子化的，因為在量子力學成立以前，人們對能量的認識是能量分佈是連續的，並且服從麥克斯韋——玻爾茲曼分佈。

然鵝，19 世紀末開爾文男爵提出了物理學界的兩大烏雲之一，就是當時的理論沒有辦法解釋黑體輻射中的短波長部分，也就是紫外區的部分。所以這個問題也被人們稱為**“紫外災難”**，意思就是説，一塊燒紅的鐵塊能夠釋放各個波長的電磁波，電磁波的分佈如圖，當時的科學家想去解釋這個曲線，但是只能在長波長的部分描述大致的規律，在短波長部分的就沒有辦法解釋了。

黑體輻射真實數據曲線與模擬曲線 來源：網絡

陷入烏雲的物理界，被量子力學之父普朗克從水深火熱中帶了出來。**他提出光的能量是可以分成一份一份最小基本能量元的，而不應該當成連續的來看。**這個思路的提出，引導科學家們隨後就精確的解釋了黑體輻射曲線。

如今量子力學的大廈已經逐漸建立起來了。量子力學中有很多反常識的理論，所以量子力學也有着反常識、難理解的特點，畢竟這是一門反常識的學科，**據説誰看到量子理論還沒發瘋，那他肯定是沒有看懂。**所以……你懂了吧。

量子力學其實也沒那麼高端，在我們生活中量子技術就已經在應用了，像晶體管和固態硬盤，還有實驗室可能用到的掃描電子顯微鏡。但真正小編想強調的量子科技則是量子通信和量子計算。

03

量子力學入門

我們經常用波函數來描述機械波或者電磁波，而德布羅意提出我們身邊的物質都具有波動性，**這個猜想在微觀層面，也就是電子層面已經得到了驗證。對於電子我們用薛定諤方程來描述，這個薛定諤方程的解被稱為電子的波函數**，它能夠描述某一個電子的“一切”信息。這裏的“一切”也正是科學家們想要知道的電子的概率分佈。

這個解沒辦法告訴我們什麼時候電子會在空間的什麼位置出現。即這個解描述的不是電子的軌跡，但是能夠告訴我們，電子在空間某一位置出現的概率。但是這個波函數也不是表示電子在空間中是以波的形式分佈的，所以可以像求解機械波中的振幅一樣求解出電子的振幅嗎，這當然不是。

 氫原子波函數和不同軌道電子密度分佈 來源：網絡

**電子的波函數實際上是利用波函數的形式，來描述電子在某一空間的分佈規律。**求解出在空間 X 位置，和 T 時間的波函數值，是複數的形式。這個複數的模的平方，就代表 T 時刻，在 X 點找到電子的概率。

所以，世界的微觀層面是隨機的，這與宏觀的質點運動具有確定性是不一致的。而當時的愛因斯坦剛開始還不能接受這個觀念，這就是為什麼愛因斯坦會説出那句經典的話“上帝不擲骰子。”

**量子的世界是測不準的，**對於兩個共軛的物理量，不能同時精確地測量到這兩個物理量的值。如海森堡測不準原理中的動量和位置，如果要得到量子越精確的動量，那麼它的位置的誤差將會越大，反之亦然。

順帶提一句，時間和能量也有這樣的共軛關係，當時間的尺度非常小時，能量越具有不確定性，這時量子就可能能夠發生宏觀觀念中所不能看到現象——量子隧穿，這就是晶體管和掃描電子顯微鏡的基本原理了。

就是説，按道理一個高的能壘對於電子來説就是一堵“牆”，在宏觀層面，一個人是不會穿過牆體的，但是在量子層面，這個電子會有一定幾率穿過這堵“牆”。

利用電子隧穿原理的掃描隧道顯微鏡工作過程 來源：網絡

04

量子態的疊加和量子計算機

對於某一個量子體系，可能有多個波函數可以描述，將多個波函數進行線性組合後也依然可以描述這個體系，可以説波函數是“疊加態”的。

我們通過一個波函數可以求解，通過另一個波函數也能夠求解，這是兩個完全不同的解，在我們沒有對這個體系觀測的時候，可以認為這些解都是存在，是通過概率聯繫起來的“疊加態”。**然而當我們對這個體系進行觀測，那麼這個解（態）就確定了，我們可能得到眾多態中的一個，我們沒辦法知道另外的態是什麼。這個體系也就喪失了“疊加態”，“坍縮”到了某一個態。這也是著名的“薛定諤的貓”**的論述的來源。

薛定諤的貓 來源：網絡

目前全球都在正在在爭奪的量子霸權——量子計算機，主要就是基於量子態的疊加原理和量子糾纏（一會講）。與基於經典比特的計算機相比，基於量子比特的計算機雖然不能完全代替傳統計算機，但是在解決破解基於RSA算法的密碼和藥物搜索的問題時，能夠隨着量子比特數量的增加，指數型地減少計算時間。

用語言表述的話，我們可以想想經典比特可以用0和1表示兩個基本狀態，這就代表了兩種解。量子比特可以表示為a|0>+b|1>，其中“|>”稱為狄拉克符號，用於表示量子的某一個基本態。a和b是係數，係數的平方是基本態出現的概率。對於傳統計算機只能通過yes or no的雙選題一步一步解決的問題，在量子計算中，能夠並行計算。

小編舉一個不是很恰當但是有助於理解的例子，假如有一對電子，每一個電子都有一定的機率自旋向上或者自旋向下。我們現在想要確認這對電子他們分別是什麼狀態，在經典計算機中，計算方法是分別觀測兩個電子是否是自旋向上，“是”表示自旋向上，“否”表示自旋向下，那麼就要進行兩次計算，而對於一個有着兩個量子比特的量子計算機，則只需要一次計算就有機會將四種態（|0>+|0>；|1>+|0>；|0>+|1>；|1>+|1>）中的一種給找出來。

05

量子糾纏和量子通信

在波函數描述多電子體系時，還會出現一個神奇的現象——量子糾纏，也就是説在一個多電子體系中，對一個電子的狀態的改變能夠牽扯到這個體系其他電子的狀態的改變，不管這個兩個電子的距離相隔多遠。這種作用關係被愛因斯坦稱作“幽靈般的超距作用”。然而這種作用實際上是不存在的，我們應該從更將這兩個電子當一個整體地來看待。

實際上在真實情況下，上面例子中的兩個電子如果做成相互糾纏的量子比特，並不會有機會展現出四種狀態（直積態），這兩個量子只能是以自選相反的兩種狀態存在（糾纏態）。也就是説，如果知道一個電子的自旋態，那麼另一個電子不論在多遠的位置，它的自旋態我們也就獲知了。

量子糾纏 來源：whatculture

這種性質也就是量子通信的理論基礎。實際上量子通信是量子密鑰加傳統通信的簡稱。量子通信並不是通過量子糾纏來傳遞信息，而是傳遞密鑰。量子的不可克隆性和不確定性保證了量子密匙分配的高安全性。

圖片來源：BGR

量子密鑰分配的過程大致如下：單個光子通常作為偏振或相位自由度的量子比特，可以把欲傳遞的0，1 隨機數編碼到這個量子疊加態上，比如，事先約定，光子的圓偏振代表1，線偏振代表0。光源發出一個光子，甲方隨機地將每個光子分別製備成圓偏振態或線偏振態，然後發給合法用户乙方，乙方接收到光子，為確認它的偏振態(即0 或1)，便隨機地採用圓偏光或線偏光的檢偏器測量。如果檢偏器的類型恰好與被測的光子偏振態一致，則測出的隨機數與甲所編碼的隨機數必然相同，否則，乙所測得的隨機數就與甲方發射的不同。乙方把甲方發射來的光子逐一測量，記錄下測量的結果。然後乙方經由公開信道告訴甲方他所採用的檢偏器類型。

郭光燦，公眾號：中國物理學會期刊網量子十問之五：量子密碼就是量子通信嗎？| 郭光燦

結語

量子科技給社會帶來的紅利是巨大的，要説到中國的量子技術，可是一直都走在世界的前列呢。下一個科技浪潮的風口，小編想，中國佔領制高點是沒問題的，拭目以待吧！