我在 20 世紀(jì) 80 年代初期開(kāi)始致力于量子光學(xué)研究，90 年代初又?jǐn)U展到剛剛萌芽的量子信息領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)量子信息領(lǐng)域的研究呈現(xiàn)出相當(dāng)冰冷的狀態(tài)，民眾更是將量子力學(xué)視為高懸在學(xué)術(shù)殿堂之上的圣物，敬而遠(yuǎn)之。

　　近幾年來(lái)，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(lè)道的話題，有的甚至將“量子現(xiàn)象”描繪得神秘?zé)o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(gè)別學(xué)者不實(shí)的夸大宣傳，部分媒體的不斷炒作，造成當(dāng)前關(guān)于“量子世界”形形色色的奇談怪論，引發(fā)各界激烈的爭(zhēng)論。

　　究竟量子力學(xué)能為人類(lèi)提供什么真實(shí)有用的技術(shù)?目前宣傳的量子現(xiàn)象，哪些是科學(xué)的預(yù)言，哪些是杜撰出來(lái)的虛無(wú)之物?在學(xué)術(shù)界朋友的催促下，我將媒體種種議論匯聚為十個(gè)問(wèn)題，談?wù)剛€(gè)人的看法。畢竟量子世界奇妙無(wú)比，沒(méi)人敢斷言已完全參透了量子世界的真髓。“量子十問(wèn)”系列科普短文只不過(guò)是一孔之見(jiàn)，供讀者參詳、爭(zhēng)論。

　　我要感謝中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)間內(nèi)撰寫(xiě)好這一系列科普文章。

　　1900 年，普朗克首次提出量子概念，用來(lái)解決困惑物理界的“紫外災(zāi)難”問(wèn)題。

　　普朗克假定，光輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)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(dāng)時(shí)的物理界，包括普朗克本人，都討厭“量子”這個(gè)怪物，千方百計(jì)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(ài)因斯坦獨(dú)具慧眼，他認(rèn)為光輻射不僅在于與物質(zhì)相互作用時(shí)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(lái)稱(chēng)之為“光量子”，或簡(jiǎn)稱(chēng)“光子”。

　　法國(guó)年輕的博士生德布羅意在愛(ài)因斯坦“光子”概念的啟發(fā)下提出：既然看似波動(dòng)的光輻射，具有“粒子”特性，那么像電子這類(lèi)看似“粒子”的物質(zhì)，也應(yīng)具有波動(dòng)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(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)所有微觀粒子都同時(shí)具有波動(dòng)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(xué)的運(yùn)動(dòng)定律。

普朗克德布羅意費(fèi)曼

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

玻色—愛(ài)因斯坦凝聚(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

　　我們按物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律的不同，將遵從經(jīng)典運(yùn)動(dòng)規(guī)律(牛頓力學(xué)，電磁場(chǎng)理論)的那些物質(zhì)所構(gòu)成的世界稱(chēng)為“經(jīng)典世界”，將遵從量子力學(xué)規(guī)律的那類(lèi)物質(zhì)所構(gòu)成的世界稱(chēng)為“量子世界”。“量子”就是量子世界中物質(zhì)客體的總稱(chēng)，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(dǎo)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(xué)的規(guī)律。

　　舉一個(gè)例子說(shuō)明“ 量子” 與“經(jīng)典”的本質(zhì)區(qū)別。經(jīng)典世界的特點(diǎn)是物體的物理量、狀態(tài)在某個(gè)時(shí)刻是完全確定的：晶體管要么導(dǎo)通，要么關(guān)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(shí)驗(yàn)技術(shù)無(wú)關(guān)，是量子世界的本質(zhì)特征，無(wú)法消除。這個(gè)特征體現(xiàn)在量子力學(xué)中重要的量子態(tài)疊加原理上。

　　量子態(tài)記作ψ> ，是科學(xué)家引進(jìn)量子力學(xué)中用來(lái)描述量子系統(tǒng)的狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律是薛定諤方程。

　　量子態(tài)又稱(chēng)波函數(shù)或幾率幅，它沒(méi)有任何經(jīng)典對(duì)應(yīng)。雖然人們并不喜歡量子世界的這種描述，因?yàn)樗c我們所熟悉的經(jīng)典世界截然不同，但一百多年來(lái)所有實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了量子力學(xué)的所有預(yù)言，人們不得不承認(rèn)這種描述是正確的。

　　著名物理學(xué)家費(fèi)曼說(shuō)，“量子力學(xué)的奧妙之處就是引入幾率幅ψ> ”。

　　假定量子客體有兩個(gè)確定的可能狀態(tài) 0 或者1， 通常寫(xiě)成0> 、1> ，由于量子狀態(tài)(寫(xiě)成ψ> )是不確定的，它一般不會(huì)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(lái)的狀態(tài)上，這就是量子世界獨(dú)有的量子態(tài)疊加原理，用數(shù)學(xué)表示為ψ> = α0>+ β1> 。其中α，β為復(fù)數(shù)，且滿足α2 + β2 = 1 。

　　量子信息以ψ >為信息單元，稱(chēng)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(chēng)比特。

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

　　事實(shí)上，量子力學(xué)的所有奇異特性正是源于這個(gè)幾率幅。當(dāng)然，近百年來(lái)對(duì)量子力學(xué)爭(zhēng)論不休也在于這個(gè)幾率幅(量子態(tài))。

　　目前，網(wǎng)絡(luò)上流傳什么“量子肥料”、“量子水”等忽悠人的詞，將來(lái)還可能出現(xiàn)“量子炸彈”、“量子導(dǎo)彈”……這些忽悠大眾的名詞將本應(yīng)光輝純潔的學(xué)術(shù)領(lǐng)域炒作得烏煙瘴氣，真假不分，魚(yú)目混珠。

　　其實(shí)，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(jiǎn)單的判據(jù)就是看它是否應(yīng)用到“量子比特”，即0> 和1> 的疊加態(tài)。

　　例如，激光測(cè)距實(shí)驗(yàn)，從目標(biāo)反射回來(lái)的光束，其強(qiáng)度隨距離不斷衰減，當(dāng)探測(cè)器無(wú)法探測(cè)到光時(shí)，就是最長(zhǎng)的測(cè)量距離。當(dāng)然，如果采用單光子探測(cè)器，則測(cè)量距離必然增長(zhǎng)。

激光測(cè)距(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

　　這里測(cè)到的是單個(gè)光子，是否可以稱(chēng)它為“量子測(cè)距”呢?

　　答案是否定的，因?yàn)樗鼪](méi)用到光子的量子態(tài)，這只是將測(cè)距靈敏度提高到極限而已，仍屬于經(jīng)典范疇。密立根當(dāng)年在實(shí)驗(yàn)上測(cè)量單個(gè)電子的電荷，雖然采用單個(gè)電子，但這仍然屬經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵谠搶?shí)驗(yàn)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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