2020-10-19 21:33:06聖天使

科普:量子是什麼?從「微觀世界規律」到人類「新物理革命」

量子在微观世界里占有很重要的位置,它是现代物理的重要概念,已经是理解和描述自然的基本理论.


[新華社合肥10月19日電題:科普:量子是什麼?從「微觀世界規律」到人類「新物理革命」]

(記者徐海濤、董瑞豐)


19世紀末,歐洲一些學者認為從牛頓力學到熱力學、電磁理論,人類的「物理學大廈」已全部建成,再沒有多少可研究的了。

但是,在1900年,德國物理學家馬克斯·普朗克提出了量子理論,為人類開啟了探索「微觀世界規律」的「新物理革命」。量子理論也與相對論一起,成為現代物理學兩大支柱。


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打開「量子之門」:微觀世界裡的奇妙「疊加」與「糾纏」

量子是什麼?根據量子理論,量子是最小的、不可再分割的能量單位。我們中學物理書上提到的分子、原子、電子,其實都是量子的不同形式。可以說,我們的世界由量子組成,我們每個人都是「24K」純量子產品。

在我們日常生活的宏觀世界裡,物體的位置、速度等,都可以通過經典力學精確測算。但在微觀量子世界裡,卻有着截然不同的奇妙物理規則,最有代表性的是「疊加」與「糾纏」。


在宏觀世界,任何物體在某一時刻都有確定的狀態和位置。但在微觀世界,量子卻同時處於多種狀態和多個位置的「疊加」。

物理學家薛定諤曾用一隻貓比喻量子疊加:箱子裡有一隻貓,在宏觀世界中它要麼是活的,要麼是死的。但在量子世界中,它可以同時處於生和死兩種狀態的疊加。


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如果用一個人來比喻,他不僅同時處於生和死兩種狀態的疊加,還可以同時身處多個地點,比如既在北京又在上海。

更難以想象的是,量子的狀態還經不起「看」:如果你去測量,它就會從多個狀態、多個位置,變成一個確定的狀態和位置了。也就是說,如果你打開「薛定諤的箱子」,貓的疊加態就會消失,你會看到一隻活貓或一隻死貓。而「量子人」的「分身術」也會消失,他會出現在北京或上海。


疊加已經很奇妙,但當兩個量子「糾纏」在一起,那種奇怪連愛因斯坦都難以接受。

根據量子理論,如果兩個量子之間形成「糾纏態」,那麼無論相隔多遠,當一個量子的狀態發生變化,另一個也會「瞬間」發生相應變化。愛因斯坦曾把這一現象稱作「鬼魅般的超距作用」。


從「被動」到「主動」,兩次「量子革命」深刻改變人類文明

量子理論誕生一百多年來,國際學界運用多種實驗和數學方法檢驗均發現,量子的奇妙特性客觀存在。

「量子力學是一個神秘的、令人捉摸不透的學科,我們誰都談不上真正理解,只是知道怎樣去運用它。」美國物理學家、諾貝爾獎獲得者穆雷·蓋爾曼曾這樣說。

「量子理論的出現,在上世紀引發第一次量子革命,催生了現代信息技術。」中科院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉介紹,基於量子理論,核能、激光、半導體等科技得以問世,進而發展出計算機、互聯網、手機等重大應用。


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進入21世紀,量子領域的新發現、新理論、新技術密集湧現,預示着「第二次量子革命」已進入加速期、起跑期。

「第二次量子革命的戰鼓已敲響!」英國《自然》雜誌評論說。

「第一次量子革命,人們只問量子理論能讓我們做什麼,不去問為什麼,是被動的觀測與應用。」中科院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦說,第二次量子革命則是主動利用量子特性,開發出量子通信、量子計算和量子精密測量等創新應用。


這些應用的革命性在哪裡?簡單來說,量子通信可以在理論上做到通信的絕對保密,量子計算可以令人類的運算能力實現指數級增長,比如傳統計算機需要數萬年才能破解的複雜密碼,量子計算機幾秒鐘內就能破解。傳統測量技術最小只能探測到微米量級,而量子測量可以進一步精細千倍、萬倍達到原子量級。


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中國量子崛起,美好未來可期

如今,量子科技已成為國際上風起雲湧的戰略科研方向。近期,歐盟擬投資80億歐元支持新一代超級計算技術,量子計算是其中重要內容。美國開通國家量子協調辦公室網站,並發布了聚焦八大研究領域的《量子前沿報告》。

而經過三十多年努力,中國已崛起為國際量子科研版圖上的重要力量,在多個戰略方向上實現領跑或進入第一陣營。


近年來,我國多次創造量子比特糾纏數量的世界紀錄;發射世界首顆量子實驗衛星「墨子號」,實現千里糾纏、星地傳密、隱形傳態三大科學目標;開通世界首條量子保密通信幹線「京滬幹線」,實現世界首次洲際量子保密通信。


當前,量子科技已進入「產業化前夜」。展望未來,量子計算有望為藥物研發、能源勘探、金融分析、氣象預報等大規模計算提供全新方案;量子測量發揮測量精度、靈敏度優勢,有望在科研、醫療、能源、災害預防等領域大顯身手;量子通信融合量子計算技術,構成高速、安全的「量子互聯網」,與人工智能、區塊鏈等技術相結合,可為人類生活增添無限可能。---(新華社)

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