量子十問之一：量子究竟是什么？

　　我在 20 世紀 80 年代初期開始致力于量子光學研究，90 年代初又擴展到剛剛萌芽的量子信息領域。當時國內(nèi)學術界對量子信息領域的研究呈現(xiàn)出相當冰冷的狀態(tài)，民眾更是將量子力學視為高懸在學術殿堂之上的圣物，敬而遠之。

　　近幾年來，隨著量子信息的飛速發(fā)展，加上媒體的大力渲染，“量子”已成為人們津津樂道的話題，有的甚至將“量子現(xiàn)象”描繪得神秘無比，仿佛世界上所有難以解決的事情都可歸結(jié)到“量子糾纏”上。個別學者不實的夸大宣傳，部分媒體的不斷炒作，造成當前關于“量子世界”形形色色的奇談怪論，引發(fā)各界激烈的爭論。

　　究竟量子力學能為人類提供什么真實有用的技術?目前宣傳的量子現(xiàn)象，哪些是科學的預言，哪些是杜撰出來的虛無之物?在學術界朋友的催促下，我將媒體種種議論匯聚為十個問題，談談個人的看法。畢竟量子世界奇妙無比，沒人敢斷言已完全參透了量子世界的真髓。“量子十問”系列科普短文只不過是一孔之見，供讀者參詳、爭論。

　　我要感謝中科院量子信息重點實驗室的周正威、孫方穩(wěn)、李海歐、周宗權(quán)等師生的通力協(xié)助，才能在較短時間內(nèi)撰寫好這一系列科普文章。

　　1900 年，普朗克首次提出量子概念，用來解決困惑物理界的“紫外災難”問題。

　　普朗克假定，光輻射與物質(zhì)相互作用時其能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，一份“能量”就是所謂量子。從此“量子論”宣告誕生。

　　然而當時的物理界，包括普朗克本人，都討厭“量子”這個怪物，千方百計想要將它消化在經(jīng)典物理的世界之中，但卻屢試不果。唯有愛因斯坦獨具慧眼，他認為光輻射不僅在于與物質(zhì)相互作用時的能量是一份一份的，光輻射的能量，本身就是“量子化”的，一份能量就是光能量的最小單元，后來稱之為“光量子”，或簡稱“光子”。

　　法國年輕的博士生德布羅意在愛因斯坦“光子”概念的啟發(fā)下提出：既然看似波動的光輻射，具有“粒子”特性，那么像電子這類看似“粒子”的物質(zhì)，也應具有波動性。這就是“德布羅意物質(zhì)波”的概念，由此引發(fā)后繼大量理論與實驗研究，證實所有微觀粒子都同時具有波動性和粒子性二象性。這些奇異特性的微觀粒子構(gòu)成“ 量子世界”，遵從量子力學的運動定律。

普朗克德布羅意費曼

　　隨著科學技術的發(fā)展， 人們認識到“量子世界”不僅限于微觀和單個粒子，某些宏觀尺度下的多粒子系統(tǒng)也遵從量子力學規(guī)律。例如玻色—愛因斯坦凝聚(BEC)，當原子聚合的溫度足夠低時，所有處于不同狀態(tài)的原子，會突然聚集在同一個盡可能低的能量狀態(tài)上，其行為就像一個“放大”的玻色子，遵從量子力學規(guī)律。

玻色—愛因斯坦凝聚(圖片來自網(wǎng)絡)

　　我們按物理運動規(guī)律的不同，將遵從經(jīng)典運動規(guī)律(牛頓力學，電磁場理論)的那些物質(zhì)所構(gòu)成的世界稱為“經(jīng)典世界”，將遵從量子力學規(guī)律的那類物質(zhì)所構(gòu)成的世界稱為“量子世界”。“量子”就是量子世界中物質(zhì)客體的總稱，它既可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是 BEC、超導體、“薛定諤貓”等宏觀尺度下的量子系統(tǒng)，其共同特征就是必須遵從量子力學的規(guī)律。

　　舉一個例子說明“ 量子” 與“經(jīng)典”的本質(zhì)區(qū)別。經(jīng)典世界的特點是物體的物理量、狀態(tài)在某個時刻是完全確定的：晶體管要么導通，要么關閉，完全確定。即經(jīng)典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。但量子世界中，客體的物理量則是不確定的、概率性的，而且這種不確定性與實驗技術無關，是量子世界的本質(zhì)特征，無法消除。這個特征體現(xiàn)在量子力學中重要的量子態(tài)疊加原理上。

　　量子態(tài)記作ψ> ，是科學家引進量子力學中用來描述量子系統(tǒng)的狀態(tài)，其運動規(guī)律是薛定諤方程。

　　量子態(tài)又稱波函數(shù)或幾率幅，它沒有任何經(jīng)典對應。雖然人們并不喜歡量子世界的這種描述，因為它與我們所熟悉的經(jīng)典世界截然不同，但一百多年來所有實驗都證實了量子力學的所有預言，人們不得不承認這種描述是正確的。

　　著名物理學家費曼說，“量子力學的奧妙之處就是引入幾率幅ψ> ”。

　　假定量子客體有兩個確定的可能狀態(tài) 0 或者1， 通常寫成0> 、1> ，由于量子狀態(tài)(寫成ψ> )是不確定的，它一般不會處于0> 或1> 的確定態(tài)上，只能處于這兩種確定態(tài)按某種權(quán)重疊加起來的狀態(tài)上，這就是量子世界獨有的量子態(tài)疊加原理，用數(shù)學表示為ψ> = α0>+ β1> 。其中α，β為復數(shù)，且滿足α2 + β2 = 1 。

　　量子信息以ψ >為信息單元，稱為量子比特。這從根本上區(qū)別于經(jīng)典信息，后者以0> 或1> 為信息單元，俗稱比特。

　　正是量子態(tài)ψ> 的種種奇異特性導致量子信息技術的性能可以突破經(jīng)典的物理極限，為人類開拓新一代的信息技術。

　　事實上，量子力學的所有奇異特性正是源于這個幾率幅。當然，近百年來對量子力學爭論不休也在于這個幾率幅(量子態(tài))。

　　目前，網(wǎng)絡上流傳什么“量子肥料”、“量子水”等忽悠人的詞，將來還可能出現(xiàn)“量子炸彈”、“量子導彈”……這些忽悠大眾的名詞將本應光輝純潔的學術領域炒作得烏煙瘴氣，真假不分，魚目混珠。

　　其實，人們只要搞懂“量子比特”的本質(zhì)，就可以戳穿“假量子”的騙局。簡單的判據(jù)就是看它是否應用到“量子比特”，即0> 和1> 的疊加態(tài)。

　　例如，激光測距實驗，從目標反射回來的光束，其強度隨距離不斷衰減，當探測器無法探測到光時，就是最長的測量距離。當然，如果采用單光子探測器，則測量距離必然增長。

激光測距(圖片來自網(wǎng)絡)

　　這里測到的是單個光子，是否可以稱它為“量子測距”呢?

　　答案是否定的，因為它沒用到光子的量子態(tài)，這只是將測距靈敏度提高到極限而已，仍屬于經(jīng)典范疇。密立根當年在實驗上測量單個電子的電荷，雖然采用單個電子，但這仍然屬經(jīng)典物理實驗，因為在該實驗中，“單電子”只是作為電荷最小單元，而未涉及到任何量子特性。
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