百年前就提出的量子，為什麼突然成為熱門話題？ | 科技袁人_風聞

導讀

　　量子力學其實是一個最最精確的理論，是我們有史以來最精確的那些測量結果，都是量子力學搞出來的，所以量子力學一點都不可怕。

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　　本視頻發佈於2021年9月17****日，觀看量已達4.7萬

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　　【9月11日19:00，我在今日頭條 / 西瓜視頻 / 抖音進行多平台直播，聊了聊量子科技現在與未來。我們把直播的精彩片段剪輯成視頻，共兩集，這是第一集。】

　　今天我們講的主題是量子信息原理與技術，這個是我講過次數最多的一個硬的科技領域。

　　大家都知道近年來量子信息成了一個非常非常熱的詞，比如説2016年的8月16日，中國發射了世界上第一顆量子科學的實驗衞星“墨子號”，這個是造成了巨大的公眾的轟動。

　　然後到第二年，2017年的9月29號，我們開通了世界上第一條量子保密通訊的幹線，叫做京滬幹線，然後呢，去年底，就是2020年10月16日，量子信息又火了一把，是因為中央政治局集體學習量子科技，讓全國人民都知道有這回事了，然後在去年的12月份，“九章”光量子計算機在全世界刷屏，大家都知道我們做出了一個非常重要的光量子計算機。

　　那麼在量子信息如此火爆的情況下，然後就有很多人，他產生了種種的，過於這個誇張的幻想，比如説以為這個量子通信是一種超光速的通信，以為它是種空間跳躍，然後對量子計算機，就以為它是無所不能的。

　　然後還出來另外一個方向的想法，就是有很多商家，抓住這個商機，推廣各種各樣的所謂量子保健品，比方説就有記者來問過我，各種各樣稀奇古怪的，什麼量子能量艙、量子美容噴霧、量子美容品，他問我這些東西是真的嗎？

　　我回答是全都是假的，那全都是騙人的，然後呢，由於這些忽悠東西太多，就會有人產生另外一個方向的思考，就有人認為那是不是整個量子科學都是偽科學，都是假的，然後他們就認為潘建偉這些人都是騙子，那麼到底該怎麼來認識這些現象呢，今天我們就來好好講講真正的量子科學是什麼。

　　比如説你看到反對量子信息的（文章），就會有這樣的，上面第一個，是一個你經常看到很神奇的文章題目，説《我們的認知再度崩塌了，我們認識的世界可能根本不存在》。

　　這個號稱是著名的生物學家施一公院士説，實際上這是造謠，施一公從來沒有説過這個，這是他們的移花接木，把施一公的話跟其他一些他們自己編造的話連在一塊，施一公早就闢過謠了。

　　然後像下面這個所謂《掃謊打非，敦促潘建偉院士走出迷途》，這是一個號稱是北京大學物理學院退休教師王國文寫的，這個王國文，是好幾年如一日地，在猛批潘建偉，在他眼裏潘建偉做的東西全是偽科學，然後這些人在公眾輿論上也引起了很大的混亂。

　　然後今年 CCTV焦點訪談記者也曾經來問過我，説他們收集了一大堆市面上的各種所謂的量子保健品，叫什麼量子美容噴霧，各種各樣的什麼量子美容倉，問我這些東西是假的，我説全是假的，量子根本不是用來做這種民用科技的，那麼真正的量子科技是什麼樣的？

　　我可以告訴大家一個好消息，就是中國科學技術大學的出版社很快就會出版我這本書，叫做《量子信息簡話》，這個書就是系統地向大家來介紹量子信息這個領域的，大家看這本書對常見的這些量子信息的問題，就可以完全的回答，而且你會全都知道原理了，所以這個應該很快大家就會見到我這本書了。

　　那麼説來説去最最基礎問題就是説，量子究竟是什麼？因為它名字叫做“子”對吧？所以有很多人立刻就覺得，量子應該是個粒子，你們平時都知道有電子、質子、中子、中微子等等這些都是子，它的第一反應就是説量子是個什麼子呢，它跟這些電子、質子、中子、中微子相比，它究竟是大是小呢，最基本的回答就是説，這個問題本身就是錯的，這個量子根本不是這個意思，量子不是個粒子，量子的正確理解是什麼？

　　量子是離散變化的最小單元，這個才是對它的精確的定義。

　　什麼叫做離散變化呢？最典型的表現就是像左邊這個圖，就是上台階，上台階的特點就是説，你可以上一個台階兩個台階三個台階，但是你不可能上半個台階對吧？假如你上半個台階，結果你會摔倒，就會住醫院了是吧？然後平時我們統計人數的時候也是這樣，你可以數出有一個人、兩個人、三個人，但是不可能有半個人是吧？這種叫做離散變化。

　　所以對於這種離散變化，變化最小的那一格，那最小的單元就是一個量子，所以對於上台階來説，一個台階就是一個量子，對於統計人數來説，一個人就是一個量子。

　　所以當我們提到量子這個詞的時候，我們一定要説它是對於某個事物的量子，比如説光子就是光的量子，就是説我們平時見到一束光，它是由很多個光的量子組成的，這一個光的量就是一個光子，然後電子最初是在陰極射線當中發現的，比方説我們看下面這個圖，19世紀末的時候，約瑟夫·約翰·湯姆遜（Joseph John Thomson）他首先發現了電子，那時候是以陰極射線形式出現的，從陰極打出這麼一束射線，你用一個磁鐵可以使它偏轉，可見它是帶負電。

　　現在我們知道陰極射線其實就是電子數，這裏面就是1個電子組成，你可以有1個電子、2個電子，但是不能有半個電子，所以電子就是陰極射線的電子，陰極射線的量子，所以大家就記住了，每當我們談到量子的時候，它一定是針對某個事物的量子，並沒有某個粒子專門叫做量子，所以你不可能去問量子跟電子、質子、中子相比是大是小，這個問題本身就是錯的。

　　那麼在微觀世界當中，有一大類現象，它都是量子化的，就是説它是離散變化的，就是不連續的變化，比如説氫原子的能級，這個氫原子是世界上最小的原子，它只有一個電子，然後這一個電子，它可以出現的能量是分立的，比方説最低的能量是-13.6eV，圖中單位是eV，eV是什麼意思呢，是electron-volt，就是電子伏特，它是一個能量單位，最低的，就是現在標準1的-13.6eV，上一節呢，第二個是-3.4，負的3.4是怎麼來的呢？是-13.6除以4，就是除以2的平方，再上一個是它除以3的平方，再上一個是除以4的平方，就是説第n個能量，就是-13.6eV除以n的平方，它並不是等間距的，但是它確實是分立的，也就是説你可以在這個，n取1到任何一個數值都可以，但是你不會在這中間出現一個能量，比方説你不會出現-11eV對吧？所以對於這種不連續的變化，我們就稱它為量子化了。

　　所以這個微觀世界，它的一大本質特徵，就是説有很多物理量都是量子化的，所以有整個一個大的基礎物理學科叫做量子力學，它最早是在1900年出現的，是誰（提出的）呢？

　　就是左邊這個人普朗克，德國物理學家普朗克，在1900年最初提出了量子力學，他是首先發現一個物理現象，叫做黑體輻射這一點，這個黑體輻射它實際上就是，現在知道它就是發出光子，就是發出電磁波，它裏邊能量必須是一份一份的，不是説你想花發多少發多少，而是説它只能是發一份兩份三份，但是不能發半份，這是一個石破天驚的發現了，所以1900年普朗克最先提出了量子力學，後來有很多科學家都對量子力學做出了貢獻，到20世紀30年代，量子力學的理論框架基本上建立起來了。

　　有哪些人對它做出貢獻呢？有非常多的人，比方説愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森堡、薛定諤、狄拉克、玻恩、泡利等等，這些人都因為量子力學得到了諾貝爾獎。

　　然後在量子力學出現之後，大家就把以前我們熟悉的力學就是牛頓力學，現在給它稱為經典力學，所以量子現在更多是作為一個形容詞，經典也是作為一個形容詞，我們是把量子跟經典這樣作為一對，它們是對比的，但凡你聽説某個現象是經典的，某個現象是量子的，那麼這樣肯定是量子的比經典要高明，量子是對的，經典是錯的，如果這兩個的結論不一樣的話，肯定是量子力學是對的，經典力學是錯的，但是在經典力學的適用範圍之內，就是説宏觀物體的低速運動，這個時候量子力學得到結論，跟經典力學是一樣的，也就是説經典力學相當於量子力學的一種特殊情況，也就是説量子力學的適用範圍比經典力學要大得多。

　　然後在前面我們提到了，前面這些人都是因為量子力學得到諾貝爾獎，其中最特別一個就是愛因斯坦，大家都知道愛因斯坦最大的成就是提出相對論，但是愛因斯坦得諾貝爾獎確實是因為量子力學，不是因為相對論，這是非常神奇的一件事情，就是因為諾貝爾獎的評獎委員會，他們非常不喜歡相對論，他們始終不相信相對論，所以他們寧可因為量子力學發給愛因斯坦一個諾貝爾獎。

　　那麼實際上相對論跟量子力學是當今物理學的兩大基礎理論，他們是當今物理學兩個支柱，當然這是一個很特別的狀況，就是説基礎理論為什麼會有兩個，如果它是真正的最基礎的理論，那不應該只有一個嗎？

　　所以這實際上是個嚴重的問題，就是説量量子力學和相對論，兩個還沒有融合起來，是應該存在一個更基礎的理論，把這兩個融合起來，這個是我們當前努力的方向，但是現在還沒有做到，這個是物理學的前沿，所以我們來比較一下，相對論和量子力學，它們處於什麼狀況？

　　相對論大家都知道，它主要就是愛因斯坦一個人搞出來的，所以一提到相對論你就會想到量子力學，就會想到愛因斯坦，但是量子力學你説它是誰搞出來的？這很難説，因為它參與人實在太多了。

　　那麼很多人一旦知道了有量子力學這個學科之後，下意識的問題就是説量子力學能用來幹什麼呢？實際上這個問題問得不好，更值得問的是它不能用來幹什麼？因為它能幹的事情實在是太多了，你幾乎找不到一個它不能幹的事情。

　　反而你可以問一下，相對論能用來幹什麼，因為相對論能幹的事情實在是並不太多，比如説宇宙學需要相對論是吧？那大爆炸理論什麼的，黑洞之類的東西，然後重元素，它那個化學會用到相對論，因為重元素那層電子跑得很快的，接近光速了。

　　然後還有一個，好不容易找到一個，在日常生活中就要用到相對論的是衞星導航系統，叫GPS北斗，這種它需要用到相對論，因為它衞星跑得很快，這個是出現了狹義相對論的效應，同時它這個衞星離地面很遠，衞星上面它受到的重力，比在地面要低，這又會產生一個廣義相對性的效應，這兩個效應都是需要考慮的，需要把它扣除掉的，否則導航就不準了，但是數來數去，日常生活中就這些了，但是量子力學，在日常生活中你是每時每刻都在用，我告訴大家，你但凡在用電，任何一個電器，你就已經用到量子力學了，所以量子跟相對論這兩個領域，是完全不一樣的。

　　所以我們來解釋一下，有一些最基礎的問題，都是有了量子力學之後才能回答的。比方説一個最基礎的問題，就是原子的穩定性，我們都知道這個原子，是由電子和原子核組成的，電子帶負電，原子核帶正電，那麼一個顯而易見的東西就是説，電子難道不會落到原子核上嗎？它既然受到原子核的靜電的吸引是吧？它為什麼不落上去？如果是經典力學，那它肯定會落上去的，那麼結果不就是原子崩潰嗎，所以一個最基礎的問題就是，我們為什麼能夠穩定存在是吧？

　　原子為什麼能夠穩定存在？這個就是回答量子力學，就是説因為原子當中的電子的能級，量子化它有個最低值，你最低等到那個最低值，比方説對於氫原子來説，就是-13.6eV，你不可能更低，如果電子落到原子核上，那變成負無窮了是吧？這個比那個最低的還低了，所以它落不上去，這個就是對於原子的穩定性的回答。

　　下一個問題就是為什麼原子又會聚成分子是吧？其實就是化學的基本問題，回答是説分子的能級也是，分子能量也是量子化的，它也是一格一格的，然後兩個原子聚成一個分子，假如分子的最低能級比兩個原子的能量加起來還要低，它就會放出能量，所以它們形成分子是有利的，這個就回答了化學的基本原理。

　　然後下一個問題也是一般人不會想到的，就物質為什麼會有硬度，也就是説世界上為什麼會存在固體是吧？比方説這塊磚頭，或者這塊鋼鐵，它為什麼是硬的？這個問題實際上就等價於説，這些原子它們互相之間離得太近了，為什麼會推開而不會落到一塊去對吧？

　　這個問題的回答是説因為有一個粒子叫做費米子，比方説電子就是費米子，跟費米子相對叫玻色子，費米和玻色是兩個著名的物理學家了，費米子的特點就是它們要滿足這個泡利不相容原理，它們之間你如果離得太近的話，它們會互相推開，也就是説它們不能落到同一個狀態上面去。

　　你如果把兩個電子放得非常近，它們就會產生一個非常強的排斥力，以避免它們落到同一個狀態是吧？所以這個就解釋了世界上為什麼會出現固體。

　　下面一個問題是我們日常生活中每時每刻都在用的，就是導電性，為什麼有些物質能導電？比如説銅和鋁能導電是吧？它們是非常好的導體，有些物質不導電，比方説木頭和塑料它就不導電，然後後面我們又會發現有些物質是半導體，比方説硅和鍺，有些物質是超導體，比方説低温下的一些金屬，這些問題傳統理論是完全沒法解釋的。

　　你如果問一個19世紀的物理學家，説為什麼有些物質能導電，有些物質不導電，他能給你的最好的回答也不過是説，那些能導電的物質裏邊電子是自由的，不導電的物質裏邊，電子是不自由的，這實際上我們在中學和小學學到的導電理論就是這樣的，所謂自由電子理論是吧？

　　但是仔細想一想這真的算一個解釋嗎？實際上它沒有解釋任何東西，它只是同意反覆而已，因為它只是告訴你，你如果能導電，你就把它叫做自由電子，不能導電就把它叫不自由電子。

　　那你要問他你能不能預測呢？能不能告訴我為什麼銅和鋁裏面的電子就是自由的，木頭和塑料裏面的電子就是不自由的，回答是因為它根本預測不了，所以這個理論它只是玩一個文字遊戲而已，只有在有了量子力學之後，我們才發展出整個一套新的理論，叫做能帶理論，能量的能，領帶的帶，條帶的帶，這個能帶理論是能夠讓你去做計算，能夠精確地預測，哪些物質能導電，哪些物質不導電。

　　我們還能夠發明出新的物質，比方説半導體和超導體，然後量子力學不但是能夠解釋現實世界已經有的現象，而且它還能夠發明一些新的設備，比方説激光器和發光二極管，這個大家也都經常用，比方説我現在用這個激光筆，這個就是量子力學，用量子力學的效應才能造出來的，如果沒有量子力學，你是完全不能理解激光這種現象的。

　　所以現代社會所有的技術成就，都離不開量子力學。所以你如果要問，量子力學有什麼用是吧？這是一個非常外行的問題，説明你肯定對量子力學一無所知，你如果對量子力學有一點了解，你就肯定不會問這種問題了。

　　既然對量子有點了解，你會發現原來它出現已經有100多年了，它1900年就提出來了，它完全不是一個新興事物是吧？那它為什麼現在這個詞突然變得如此火熱呢？回答是説新興事物是叫做量子信息，是一個交叉學科，是從80年代以來量子力學跟信息科學兩個交叉起來，產生一個新的學科叫做量子信息，量子信息它是要幹什麼呢？它就是利用量子力學這種框架來做到傳統的信息科學做不到的事情。

　　比如説什麼呢？比如説有一個最驚人的，叫做傳送術，比方説很多科幻電影，比方説《星際迷航》裏面，最核心的技術叫做傳送術，biu的一聲，把一個人從這兒傳到那兒，這個東西叫傳送術，這個東西是一個真實的技術，在量子信息裏邊，它確實有這個技術，叫做量子隱形傳態，以前傳送是個純粹的幻想，但是到了現在，傳送術是一個真實的技術了，這個到後面我們會來仔細地解釋一下量子隱形傳態。

　　所以大家可以看到，量子信息確實是一個非常神奇的一個學科，裏面可以實現很多以前完全無法想象，完全沒法做的事情。

　　那麼具體的量子信息包括哪些內容呢？大家可以想一下，我們平時用到的信息技術包括什麼？用到最多的是手機對吧？手機是用來通信的，然後有計算機，計算機是用來做計算的，然後我們平時用的像尺子、温度計、鐘錶這些東西，其實也可以算作信息技術，它們是用來做測量的對吧？

　　所以相應的，量子信息也包括這麼三大塊，就是量子通信、量子計算和量子精密測量。

　　然後這三大塊裏面，每一個又包括一些具體的技術，比如説量子通信裏面包括量子密碼和量子隱形傳態，這個量子隱形傳態就是我剛才説的傳送術，量子計算裏面包括量子的因素分解，或者量子的搜索，然後量子精密測量裏面，包括像原子鐘和量子雷達如此等等，後面我們來分別來解釋這三大塊。

　　在這三大塊當中呢，最容易理解的是量子精密測量，因為你都不需要了解它的原理，你只需要明白一件事情，就是通過這種量子力學的技術，可以使我們把某些物理量，測的比以前精確得多，你提高了測量精度，你當然就可以做到很多以前做不到的事情是吧？這是顯而易見的，所以這個東西是最容易理解的。

　　我們來舉幾個例子，比方説有一個新的技術叫做霧裏看花，這是他們自己起的名字，霧裏看花，它實質就是單光子成像。就是説以前的這個成像，比方説我們現在用的照相機，往往是用CCD，它是用光電探測儀，就是你現在用你那個手機，它那個成像原理可能就是CCD，這光電探探測器，你成立一個像素點，大概需要接收到10億個光子才行。而現在潘建偉院士和徐飛虎教授，他們做了很大的改進，他們發明了這種單光子成像的儀器，你只需要一兩個光子，就可以成一個像素點，比如説他們就可以做到在8.2公里之外，識別一個人的姿態，這個人實際上是個玩偶，擺出一個木偶，你看你就可以大致看出來，上面那個圖是一個人把雙手舉起來，下面這個圖是兩隻手一隻向上一隻向下是吧？

　　你就看中間那個圖就是對吧，可以看個八九不離十對吧？這可是離了8.2公里，然後右邊那個圖是隔了45公里，然後還是在霧霾天氣，看上海的浦東民航大廈，你如果用常規的像素去看，你能看到什麼呢，你是什麼都看不到，它就霧濛濛的一片是吧？但是你如果用這種單光子成像，你還可以馬馬虎虎，你還可以看出一個輪廓，然後你可以判斷這是浦東民航大廈。

　　所以他們把這個稱為霧裏看花，就是即使在霧霾天離得非常遠，你都能夠看一個大致的輪廓出來。

　　那下一個是量子雷達，實際上一聽到量子雷達這個詞，大家都會很興奮是吧？很多人就會想到，第一個問題是説，這個東西是不是能用來探測隱形飛機，我可以告訴大家，量子雷達其實有好多種，光我所知的，在研究量子雷達的單位就有好多家，他們不同的單位研究的量子雷達是不同的原理，但是我熟悉的這一個量子雷達，是用來探測大氣風場的，也就是説探測我們的大氣層裏面每一點，它有沒有在颳風，如果有的話風朝哪兒刮，風的速度是多少？這個叫大氣的風場。

　　這是誰做的呢？這是竇賢康院士、潘建偉院士和張強教授他們一塊合作來做的，這個用雷達來探測大氣風場，這是一個傳統早已有之的技術。但是傳統技術產生的困難在哪兒？最大的困難來自太陽，因為太陽它會產生一個巨大的干擾，然後太陽干擾最少的那部分波段，其實是紅外波段，因為太陽它發射出來不是可見光嗎，紅外那部分太陽光的強度是比較低的，但是這個麻煩是在於探測器，就我們紅外探測器的性能是比較差的，所以呢，竇賢康、潘建偉、張強他們做的改進，是他們發展了一個單光子頻率的轉換技術，就是你打出去的是紅外光，然後接收回來的時候，就用頻率轉換技術把紅外光轉化成一個863納米的一個光，然後這個光是比較容易探測的，所以你用這個就可以把那個探測的效率大大提高，這樣的話你就可以把探測的效率大大提高，所以最終的結果是把探測距離從原來的2.6公里調到了8公里，這個就非常大的，很明顯無論是軍用還是民用的價值，都非常明顯了。

　　然後再下一個，這個又是潘建偉和徐飛虎他們做的，他們把它命為隔牆觀物，這個東西看起來這個也非常簡單，也就是説，平時我們如果看一個東西，你隔着一堵牆，你當然不可能看它對吧？那個牆就把它擋住了，但是現在你可以用這個牆把它這個牆當成一個反射的鏡子，你居然就可以接收到那個物體的信息，你想想這是多麼驚人的一件事情。傳統的我們平時為什麼不能用這個牆當鏡子去看見這個東西？因為這個牆發生的是漫反射，就是你對它打一束光過去，光會反射向哪兒呢？它其實可以反射到任何一個方向。

　　如果是一個鏡子，鏡子發生鏡面反射對吧？入射角等於出射角，所以你會成一個非常清晰的像，但是如果是一個牆壁的話，它可以反射出來可以到任何方向，每一個方向強度都很弱，所以平時你是成不了像的，但是他們有特別靈敏的光接收的技術，也就是單光子成像的技術，所以他們就可以用通過漫反射，三次漫反射，然後居然回來一些光子。你就可以用這一小部分回來的光子，就可以構建出物體的像。這個到底回來多少呢，他們是説你發一次發出了460億億個光子，然後其中有674個經過了三次漫反射回來，你就抓住了這麼674個，你想想這個損失率有多高是吧？但是你這億億分之一的倖存率是吧？你還是抓住了，然後就用674個光子，然後經過反演，然後你可以把這個物體的像，構建出來。

　　你看這個右邊那個圖，上面最右邊這個是兩個玩偶，上面那個是一個人舉起雙手，然後倒數第二個，就是第4格的那個，那麼你大致看得到，一個人舉起雙手，然後下面那個是一個H的形狀，你看那個，大致是H的形狀，所以你可以判斷個八九不離十。

　　OK，量子精密測量，這個是任何人都可以理解的，即使你對量子力學是原理完全不懂，但是你可以理解，它是非常有用的是吧？然後後面這個量計算和量子通信，你要理解它們是幹什麼的，那個難度就比較大了，你就必須要理解量子力學的原理。

　　所以下面我們來講一下量子力學的原理，但是每當我們要講量子力學的原理，首先要克服的是一個心理困難，有很多人一聽量子力學就怕了，因為他已經看到過很多種這樣的説法，比方説“不自量力”是吧？不要自學量子力學，量力而行，這個量力量量子力學，隨機過程隨機過，諸如此類的這樣的笑話是吧？

　　所以他們還沒學腿已經軟了，他們覺得學得很恐懼是吧？所以在他們印象當中，量子力學是一套難以理解的玄學是吧？我們首先要破除就是這種迷信，就是你先不要自己嚇唬自己，量子力學不是玄學，這個道理是非常清楚的。就它正確理解是，量子力學是一套清晰的數學框架，就好比是一個微觀世界運行的一本操作手冊，數學框架它最大的特點，其實是它非常的精確，有很多人以為，因為他們都聽説有個詞叫測不準原理是吧？

　　所以他們以為量子力學裏面一切都是模糊的，你什麼都不準，正好相反，量子力學是一個非常精確的理論，比如説我們最近有個例子，量子力學當中有一個非常重要的一個常數，叫做精細結構常數，我們往往用α來代表，精細常數它表示的什麼意思？就是氫原子的那一個電子它的速度跟光速的比值，所以你可以算出來大概是1/137。

　　然後在最新的實驗當中，去年底就有一撥法國人去測量了精細結構常數，他們把它測準到了萬億分之81，他們現在測出來這個精細結構常數導數，大概是137.03599206±11，就最後兩位數加減11，然後但是直到這麼多位數，仍然跟理論值是符合的。

　　所以就是説量子力學其實是一個最最精確的理論，是我們有史以來最精確的那些測量結果，都是量子力學搞出來的，所以量子力學一點都不可怕，它是一個非常精確的理論，而且全世界有數以百萬計的科技人員，都是熟悉這種操作手冊的，至少全世界所有的物理專業和化學專業的學生，都學過量子力學，所以這個量子力學沒什麼可怕的，你要學懂它這完全沒問題。