【文汇报】“潘”谈量子

来源:文汇报发布时间:2020-10-27

  什么是量子?

  其实量子非常简单,所有构成物质世界的最基本单元就叫做量子。举个例子,每天光照过来,就有好多光量子打到你身上——对于组成物质的小颗粒而言,如果它小到不能再分割,那么这就是量子。

  量子在哪里?

  量子有一个非常奇怪的特征——不确定性。简单而言,在经典世界里,人或物体在某一时间里只能在一个地方。而在量子世界里,在某些特定的情况下,如果说整个宇宙中没有一个人、一台仪器知道你在哪里的时候,你就可以在所有的地方。

  为什么会这样?因为宏观世界里,你在运动时,周围有好多人或设备在探测你的轨迹。但到微观世界中,当一个原子在运动的时候,周围都是真空,就没有东西来测量它处于什么状态,在这种情况下,它就会出现在任何一个地方。这个分析在微观世界里面是成立的,并已经被无数实验所证实。

  什么是量子纠缠?

  在量子力学中,“薛定谔的猫”是非常著名的一个思想实验:一只猫在日常生活中能处在死或活两个状态,但是在量子世界里,它可以处于死和活两个状态的相干叠加,死和活这两个状态如果代表0和1,这两个死和活可以变来变去,就意味着信息的单元是可以处理、可以发生变化的。

  到了量子世界里,因为它可以处于这种0和1状态的相干叠加,所以这个状态是永远测不准的,测不准之后它就不能被精确地复制。

  当我们把这样一个单粒子的体系拓展到两粒子体系的时候,一种更奇怪的现象就发生了,我们把它叫做量子纠缠。一只猫可以处于死和活状态的相干叠加,如果有两只猫的话,是不是可以处于这样一种活活和死死状态的叠加呢?量子力学是允许的,这意味着一旦处于纠缠的两个客体,不管它们相距多么遥远,其中一个状态发生变化,另外一个状态也会发生相应的变化,我们把这种东西就叫做“遥远地点之间的诡异互动”,也就是量子纠缠。

  量子理论可以溯源宇宙?

  当我们把量子力学和相对论结合在一起时,我们就可以来建立宇宙起源的大爆炸理论。这个理论告诉我们,在138亿年前,宇宙是诞生于一个奇点的爆炸。

  这个爆炸是怎么产生的呢?这正是由量子涨落产生的。所以,大爆炸几分钟之后,我们才会有氢、氘、氦元素的形成。而在那之前,由于温度太高,高达几亿摄氏度,所以只有质子、中子、光子、电子存在。直到大爆炸30万年后,宇宙中才有原子形成,亿年之后才会形成恒星。

  所以,宇宙经过了相当于100亿年的“怀孕”之后,我们的太阳才正式诞生。而要等到太阳系形成,地球各种行星才慢慢形成了稳定的结构,又经过亿万年的进化,地球生命才进化为现在的人。

  量子计算有多强?

  我们现在把全世界所有的计算机、手机的计算能力加起来,计算能力大约是280。如果量子计算机诞生,那么它的计算能力将会超过目前地球上计算能力的100万倍。当这种技术走向实用,它将是非常强大的——这种算力如果分给每个人的话,我们每个人在计算能力上的财富,都是远远超过世界首富的。

  曾有人预言,当量子计算机发展到50个量子位时,就能实现“量子称霸”,其计算能力将超过世界上任何传统计算机,解决许多传统计算机解决不了的问题。就在去年,谷歌宣布实现了这一目标。如今,大家又在向着更高的目标迈进。

  量子计算会给人工智能带来什么?

  经典的人工智能机器人根本就没有自由意志,它连一个非常简单的事情都决策不了,因此根本不会认识到自己的存在。但是,量子力学第一次把观测者的意识与物质的演化结合起来。所以我们高度相信,尽管还没被科学最后证实,量子力学必然会参与自我意识的产生。

  由于我们每个人大脑里面想什么,是相互不可知的,这才保证了个体的多样性。量子力学告诉我们,想要一模一样复制大脑中的所有信息,是做不到的。我们既然这么独一无二,所以相信量子力学跟我们意识肯定紧密相连,我们也相信通过对量子计算机的研制,可能会为我们人脑一些机理的研究提供有价值的东西。

  量子理论可以实现星际旅行吗?

  1609年,科学家开普勒在给他的好朋友伽利略的信中写道:“应该建造适合飞向神圣天空的船与帆,然后也会有这样的先驱者,面对无边的太空,他们毫不退缩。”那时的人们不会想到,在300多年之后,1961年人类首次进入了太空,1969年人类首次登月。

  1997年,世界上第一个量子隐形传态实验完成。十年后,我们中国科大的团队首次能够传送两个粒子的状态。而到2016年,随着“墨子号”的发射,我们的技术能力已经能够实现地星间的1000千米量子隐形传态。

  如果人类要更深远地探索宇宙,目前的飞行手段连离开太阳系都难以实现,但也许300年、500年之后,我们能够利用现在量子科技的发现,找到进行星际旅行的新途径。

《文汇报》(2020年10月25日8版)

http://dzb.whb.cn/2020-10-25/8/detail-702835.html

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