量子物理虽好,但有什么用呢?
2019-03-31 13:06

量子物理虽好,但有什么用呢?

本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:比达尔 米拉列斯


我们的意识还留在梦想的世界里,但是双脚已经踏上了陆地。


我们降落了……


每当说起量子的时候,我们总试图给出又抽象又哲学的解释。这种不精确又有点奇怪的理论总显得离我们很远,好像与日常生活没有什么关系。这时我们就会问:在实际生活中,量子物理有用吗?


答案当然是肯定的!现实中大部分的科学技术和超过三分之一的经济产品都是以量子理论为基础发展起来的。当我们说到经济和数字的时候,就像安托万·德·圣-埃克苏佩里在《小王子》中写到的——我们已经实际到不能再实际了。


在实验室或者欧洲核子研究组织这样的研究机构中,人们开展的研究都是如何让粒子的运动速度达到光速,以模拟宇宙起源时的环境。但是,如果你只想接触量子理论,完全没有必要来这些地方。


只要到一个商业中心就足够了。


《小王子》(图片来源:必应图库)


无法量化的并不是不存在的


大人们都很喜欢数字。当他们介绍新朋友的时候,几乎从来不问朋友的最基本情况,比如他说话什么声音、他喜欢玩什么游戏、他收集蝴蝶标本吗,等等;相反,总是问他多大了、有几个兄弟姐妹、体重多少、爸爸挣多少钱。


他们认为获得了这些信息,就算是了解朋友了。假如我们对大人说“我看见了一座漂亮的粉色砖房,窗台上摆着天竺葵,房顶上落着白鸽”,他们永远也想象不出房子的样子,但如果我们告诉他们的是“我看到了一座50万美元的房子”,大人们准会激动地说:“哇,那一定很漂亮吧!”


——《小王子》,安托万·德·圣-埃克苏佩里


如果我们走近商业中心那些大大的玻璃门,它会像被施了魔法一样自动打开,这个在生活中已经普遍应用的自动门就是利用了光电效应。


自动门上装有一种叫作光电管的东西,它是由半导体薄片构成的传感器。当传到传感器的光束被打断,电动装置就会被激活,于是门自动打开。


商场自动门(图片来源:视觉中国)


假设这个商场的第一间商店专营电子产品,我们能在那里找到很多利用光电效应的商品。贵重物品装有的报警器、屋顶的火灾报警设备也都基于量子理论。除此之外,与量子理论有关的产品还有很多,比如数码相机、光控灯开关的传感器、用太阳能光伏板充电的计算器,等等。


屋顶火灾报警器(左)和收银扫码机(右)(图片来源:视觉中国)


我们继续在这个大型量子商场里逛逛,这里还有DVD机、CD机、激光打印机、光学鼠标,甚至还有收银员扫条形码时会发出滴滴响声的机器。


所有这些设备都以激光为基础。激光,其实是受激辐射光放大的简称,这也是一种建立在辐射基础上的科技。假如没有发现量子世界的运转规律,这项技术也不可能得到如此的发展。


从电子产品到医学外科,从测绘到军事工业,激光的应用非常广泛。


在这个商场里,不难找到其他运用量子科技的产品。我们身边的几乎所有东西都运用了20世纪最重要的发明之一 ——晶体管。


晶体管(图片来源:Veer图库)


如果没有晶体管,现代电子业也得不到发展,手机、笔记本电脑、平板电脑、收音机、电视机等,将统统不复存在。晶体管无处不在!


我们可以把晶体管想象成电子水龙头,它们在电路中起到了分配和量化电流的作用。晶体管于1947年在格拉汉姆·贝尔实验室诞生,从此取代了“真空管”。我们可以将真空管看成巨大的灯泡,它大约有一只手掌那么大,而现在的晶体管只有一厘米的百万分之一那么大。


最初的计算机使用的是真空管,体积大到需要占用好几个房间,而且价格昂贵,因此只用于军事领域。


有了晶体管之后,芯片就诞生了,它实现了电路的小型化。从此之后,曾经那般巨大的电脑才有可能缩成公文包大小。


电脑芯片(图片来源:Veer图库)


如今,芯片被广泛应用在电脑之外的很多地方,让许多产品发生了巨大的变化:座机电话变成了手机,传统相机变成了数码相机,唱片机变成了MP3,纸质书报变成了平板电脑上能看的电子书。


所有工业产品的革新都得益于这项神奇的技术,这都是量子理论带给我们的!


其实量子理论也不仅应用于电子产品,引导医学革新的核磁共振成像也同样是量子科技进步的成果。


核磁共振成像(图片来源:Veer图库)


在商业中心逛了一圈之后,我们已经了解了量子理论在生活中的应用。


现在又是幻想的时候了。如果说领会量子世界的秘密已经让我们走到了这里,那么我们即将拥有的势必更加振奋人心。


第二次量子革命


如今,我们不仅了解了材料的构成,而且还实现了不少创举,比如控制单独的原子、解密遗传密码。对材料的掌握程度正改变着人类看待世界和看待自己的方式。


量子学和生物技术之间的关系日趋紧密,量子技术在医学领域得以应用,比如利用量子点进行的放射疗法(靶精确瞄准癌细胞,避免健康细胞遭到破坏)


下面来看几个第二次量子革命的成果。


1. 量子计算机


电脑的性能取决于集成电路芯片的数量。英特尔的合伙创始人戈登·摩尔在1965年提出了摩尔定律,预测集成电路上可容纳的晶体管数目大约每18个月便会翻倍。


这种增长是指数级的,让人难以想象,因为我们的头脑更习惯于进行线性计算。为了更形象地说明这一点,我们只要知道,现在随便一个人口袋里手机的性能,都比美国国家航空航天局第一次发送人类登月时用的计算机的性能强好多就行了。


但是依据摩尔定律,这种增长有一个界限:当晶体管小到原子大小,就不再适用了。到那时,量子力学中那些最奇特的法则就会生效,比如电子会因为“隧穿”跑到电线之外,那短路就是必然的结果。


这便是量子计算机投入使用的时刻了。


在传统计算机中,信息的最小单位是比特,也就是二进制,用“0”和“1”表示;在原子世界中,量子计算机运用的量子计算单位是量子位元,是“0”和“1”的量子叠加。


(图片来源:视觉中国)


量子力学中的“叠加”(图片来源:http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081-p2.shtml)


由于量子位元有能力同时处理不同状态的任务,因此我们可以利用它同时完成叠加任务,就好像我们的电脑同时在多个世界中运行一样,大大缩短了得到最终答案的时间。


用量子计算机可以瞬间解决的问题之一就是因式分解。


我们在网购的时候,有时会用到信用卡,信用卡的信息需要在这一过程中做汇编处理,从而避免盗刷,而因式分解是这种编码处理的基础。分解一个较小的数字还相对简单,12可以被轻松分解成3和4。但当数字相当大的时候,问题就会发生本质的改变。如果让普通计算机分解一个上百位的数字,夸张点说,可能需要花上一个世纪的时间。


但这并不是量子计算机的主要任务。


正如我们能想到的,将解密信息的功能运用到任何一个国家的情报机关都是非常有吸引力的,而量子计算机马上就能让它成真——这已经不是一个“科幻的”美梦了。


现如今,很多研究中心都已经开始使用量子计算机做运算了,比如赛斯·劳埃德工作的麻省理工学院,以及由西班牙人伊格纳西奥·希拉克领导的德国马克斯·普朗克量子光学研究所。


不过,虽然这个研究领域的发展速度已经比预期快得多,但目前通过量子计算机处理完成的任务依然是十分基础的问题。


例如滑铁卢大学的研究团队已经能成功控制12量子位元,这相当于二进制中的1000比特,或者相当于一台50年代的计算机。这个数字听起来有点让人灰心,但其实能控制的量子位元只要达到60或者70,量子计算机的计算能力就会超过世界上所有计算机计算能力的总和。


量子计算机(图片来源:必应图库)


如今的量子计算机就像普通计算机诞生之初的样子,体积大到要占据好几个房间。量子技术面临的最大挑战就是我们之前提到过的退相干——让脆弱的量子态能够保持一会儿,而不是一与外界环境接触就被破坏,这样我们才有可能对其进行处理。


这些新科技的应用可能会造成一些恐慌,譬如我们的隐私信息还是隐私吗、使用量子计算机的人是否会轻而易举地窥探我们的隐私?


俗话说得好,上有政策,下有对策。有了量子物理学,就相当于有了一个新的加密系统。与传统的加密系统不一样,它利用了因式分解的原理,所以是绝对安全的。


2. 量子密码学


量子物理能够让我们利用它奇怪的特性,用安全的方式给信息编码。有很多关于量子密码的协议,我们现在只介绍两个原始的:BB84协议和E91协议。


量子密码学(图片来源:必应图库)


BB84协议的名称来源于创造者查尔斯· 贝内特(Charles Bennett)与吉勒斯·布拉萨德(Gilles  Brassard)的姓氏首字母。它大胆运用了波函数的叠加和塌缩原理,也就是之前提过的那个“观察和测量会改变量子状态”的奇怪现象。


试想,爱丽丝想要发给鲍勃一条秘密信息。她害怕善妒的伊娃看到信息内容,于是决定给鲍勃发送一组密钥—— 一组他们用作通信符号的密码,这样他们就可以随意通信,避免他们发布的任何信息被人窃取。


假如爱丽丝利用一个传统的通信渠道,比如一只信鸽、无线电信号等,那么伊娃就可能截取密码。有了密码,伊娃就可以轻松破解爱丽丝传递给鲍勃的信。


假如爱丽丝能利用量子世界的特性,那么一切就会截然不同。她可以将信息存储到量子粒子上,一旦伊娃截取了信息,那么她对粒子的观察或者测量就会改变粒子状态,原始编码也就被破坏了。


当鲍勃拿到被伊娃截取过的密钥的时候,就会发现已经有人在他之前看到过密钥。这样,伊娃截取密钥的事实就暴露了。


爱丽丝和鲍勃这时需要做的就是放弃这组密钥,继续发送新的密钥,直到确定一个没有被伊娃截取的密钥。一旦有了新的密钥,他们就可以自由而安全地交流了,因为只有他们两个有通信符号。


量子密钥分发(图片来源:http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081-p5.shtml)


E91协议利用的是量子物理学的另外一个现象:量子纠缠态。


为了不让伊娃截取密钥,爱丽丝这次利用了爱波罗悖论来复制量子隐形传送。


青海湖湖心岛的百公里级量子纠缠分发和量子隐形传态实验(图片来源:http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081-p6.shtml)


将密钥通过量子隐形传送的方式传给鲍勃,就不会有任何人能够截取它,因为隐形传送不需要借助任何通道,信息可以直接“出现”在收件人的手上。


下面就来具体介绍一下利用纠缠态的量子隐形传送。


尽管量子加密听起来还有点像科幻小说里的内容,但现在已经有一些公司提供这样的商业服务了,比如日内瓦大学研究团队创立的Id  Quantique公司。2007年的瑞士大选就运用了量子加密模式来保证投票的安全。


3. 量子隐形传送


对乾坤大挪移的想象早已存在,这在很大程度上来源于科幻故事或武侠小说。我们多么想忘掉汽车、飞机以及任何一种交通工具啊!很多人都会想到《星际迷航》中的那句经典台词:“斯科提,把我传送上去!”


《星际迷航》中的传送术(图片来源:http://www.sohu.com/a/116457213_458808)


虽然人类的隐形传送还仅限于想象的世界,但量子的隐形传送已经实现了。


1993年,一个研究团队利用量子世界的特性,提出了实现量子隐形传送的理论基础。4年之后,以奥地利著名物理学家安东·蔡林格为首的研究团队首次实现了光子的隐形传送。


墨子号”-阿里地面站量子隐形传态实验现场图(图片来源:https://news.cnblogs.com/n/615671/)


《星际迷航》中会用几台神奇的机器扫描将要被传送的物体,以便在目的地重塑它。实际上,量子隐形传送和我们在电视剧中看到的情况还是有所不同的。


量子力学在这里给我们出了一个难题。海森堡不确定性原理告诉我们,电子的位置和速度无法同时被准确测量,因此我们无法精确地扫描一个人或一个东西,然后在另外一个地点重塑它们。


量子隐形传送利用纠缠态避免了这个问题。


试想爱丽丝想从地球将一个物体(在实践过程中,物体会被缩小成几个原子,但是为了举例方便,依然使用“物体”这个词)传送到阿尔法空间站这么一个特殊的地方,她的朋友鲍勃在那里。


爱丽丝将要传送的物体放在粒子拼盘中,这些粒子和鲍勃所在的空间站的粒子拼盘处于纠缠态。在特定时刻,鲍勃空间站里的粒子就会还原为初始对象,量子隐形传送就实现了 。


这个过程有很多值得推敲的细节。第一点是,我们传送的究竟是信息(或者说量子态),还是物体本身?我们需要鲍勃拿到的粒子拼盘和被传送物体的质量相同。


第二点是,我们说的是量子隐形传送,而不是量子复印机。这要求不对被传送物体进行任何复制,传送任务实现的时候,也是原始物体自毁的时候。针对这一问题,量子力学中有一个定理叫不可克隆定理,即禁止对一个物体进行完全复制。


文章节选自《邀你共进量子早餐》。《邀你共进量子早餐》一书打破了时间与空间的束缚,以生动有趣的语言讲述了量子力学的基本概念以及量子力学发展史。


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