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
风云之声-风云之声官方账号-2021-09-25 07:38
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。