量子技术未来的发展趋势（量子技术的两个时代）

书接上回，自从量子力学诞生以来，科学家和工程师们就积极思考将其特性引入到工程技术领域。目前，量子技术（Quantum Technology）作为一门新兴的技术方向，它的应用领域包括量子计算、量子传感器、量子密码学 、量子模拟、量子计量和量子成像等领域。

值得注意的是，在几十年量子技术发展史中，科研人员也根据对不同量子特性的利用而划分出两个时代：即“量子1.0”和“量子2.0”。

其转变标志为物理学和工程界正在从对量子态的理论理解和早期的量子系统实验室实验（量子1.0）转向寻求主动控制和利用微妙的量子特性，如叠加、纠缠、隧穿和量子相干（量子2.0）的技术。

英国国家物理实验室（NPL）研发的铯原子钟，可以说是世界上第一个应用量子技术的设备，其在1950年首次使用。它的工作原理是将能量注入原子，使其达到“叠加态”，在这种叠加中，原子以可测量的方式同时处于不止一种能量状态——激发态和基态。探究这种奇怪的状况，可以发现这些原子的“时钟频率”，这也是国际公认的精确的秒的定义的基础。

经过几十年的实验室工作，一系列依靠量子力学效应的不同设备和方法现在已经接近市场准备。之所以花了这么长的时间，主要是由于组成这些设备的部件必须首先被开发出来，包括不断改进的激光器、半导体、控制电子学和实现许多量子系统最佳性能的低温技术。

当下，世界正处于第二次量子革命（量子2.0）之中。在检测和操纵单个量子物体能力的巨大飞跃的推动下，技术生态系统在量子计算、通信和传感器等应用的开发和商业化方面取得了巨大的进步。

“纠缠”与“叠加”

可以说，量子2.0的实现相当程度上依赖于量子的“纠缠”与“叠加”特性。其中，量子叠加使得这些量子系统可以并行地以多种构型存在，而量子纠缠则使得它们即使跨越很大的距离也能紧密联系在一起，使得它们有可能在网络中连接起来，同时仍然作为一个系统。利用这种特性操控量子，可以实现一系列激动人心的新技术，如量子计算、通信、新形式的密码学和传感等。

量子纠缠：是指当一对或一组粒子产生、相互作用或共享空间接近时，这对或一组粒子的每个粒子的量子状态不能独立于其他粒子的状态进行描述，包括当粒子相隔很远时。量子纠缠题目是经典物理学和量子物理学分歧的核心：纠缠是量子力学的主要特征，而是经典力学所缺乏的。

量子纠缠

这带来的一种可能性是在通过量子保护的密码密钥增强通信的安全性。你可以利用纠缠粒子来检测是否有人干扰了数据的传输。

例如，你可以有两个纠缠在一起的粒子，分别具有顺时针和逆时针的“自旋”。其中一个粒子被发送加密密钥，如果窃听者拦截了传输，就会导致粒子的“自旋”发生变化，影响系统的整体量子状态，导致窃听企图被发现。

量子纠缠吊诡的地方就在于引起了看似悖论的效果：任何对粒子属性的测量都会导致该粒子不可逆的波函数坍缩，并将改变原有的量子态。在纠缠粒子的情况下，这种测量将影响整个纠缠系统。

这种现象最早出现于1935年爱因斯坦、波多尔斯基和内森·罗森的一篇论文中，此后不久埃尔温·薛定谔的几篇论文也对此进行了描述。爱因斯坦等人认为这种行为是不可能的，因为它违反了局部现实主义的因果性观点，并认为公认的量子力学的表述因此一定是不完整的。

但后来，量子力学的反直觉预言在实验中得到了验证，所有的解释都证实，纠缠在测量之间产生相关性，纠缠粒子之间的相互信息可以被利用，但任何比光速更快的信息传输都是不可能的。

基于量子纠缠的量子通信

迄今为止，量子纠缠已经通过光子、中微子、电子、大分子、甚至是小钻石等实验得到证实，量子纠缠态在通信、计算和量子雷达中的利用是一个非常活跃的研究和开发领域。

量子叠加：是指亚原子粒子同时以多种状态存在的理论，也是量子力学的一个基本原理。它指出，就像经典物理学中的波一样，任何两个（或多个）量子态都可以加在一起（“叠加”），其结果将是另一个有效的量子态；反过来说，每个量子态都可以表示为两个或多个其他不同态的总和。

在此领域最为大众所熟知的概念就是“薛定谔的猫”，在这个构想的实验中，一只猫、一个毒瓶和一个放射源都在一个密封的盒子里。如果检测到放射性，就会打碎烧瓶，释放出毒药，杀死猫。由于放射性检测是一个统计过程，所以在盒子密封的时候，猫既可以是活的，也可以是死的，只有当你打开盒子，观察到猫处于一种状态或另一种状态时，才会确认结果。

薛定谔的猫

另一个例子是量子信息处理中使用的量子逻辑qubit态，它是“基态” |0﹥和|1﹥的量子叠加。这里|0﹥是保罗·狄拉克对量子态的记述，当通过测量转换为经典逻辑时，其结果总是0。同样地，|1﹥是指总是会转换为1的状态。与经典比特只能处于对应于0的状态或对应于1的状态相反，一个qubit可能处于两种状态的叠加。这意味着对一个qubit测量0或1的概率在一般情况下既不是0.0也不是1.0，对处于相同状态的qubit进行多次测量也不一定会得到相同的结果。

量子叠加特性的实际应用在量子计算机中最为明显。数字计算机以比特（二进制的1和0）的形式存储数据，而量子计算机使用的是以1、0或两者同时存在的qubit。这种叠加状态创造了几乎无限的可能性，允许极快的同步和并行计算。

量子隧穿

在量子力学里，量子隧穿效应（Quantum tunnelling effect）指的是，像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为，尽管位势垒的高度大于粒子的总能量。

在这种现象中，一个波函数可以通过一个潜在的屏障进行传播。通过屏障的传输可以是有限的，并且取决于屏障高度和屏障宽度的指数。波函数不会在一侧消失而在另一侧重新出现。波函数及其第一导数是连续的。在稳态下，前进方向的概率通量在空间上是均匀的。没有任何粒子或波丢失。

量子隧穿

量子隧道效应并不是经典力学定律所能预测的，在经典力学定律中，克服势垒需要足够的势能，但使用量子力学理论却可以给出合理解释。

量子隧穿效应是太阳核聚变所倚赖的机制。在恒星里发生的核聚变的关键机制是量子隧穿效应。恒星中心的温度大约为107K，原子核的平均热动能大约为1 keV。倘若要实现核聚变，原子核必须具有足够能量来克服库仑位势垒，使得原子核与原子核之间的距离小于10-15 m，这能量大约为1 MeV，足足约为原子核平均热动能的1000倍。

因此，单独热动能并不能克服库仑位势垒来促成核聚变。尽管原子核的能量超小于库仑位势垒的位势，量子隧穿效应仍旧能够让原子核穿越库仑位势垒，从而促成核聚变，并以此维持太阳的长久寿命。

许多现代器件的运作都倚赖这效应，例如，隧穿二极管、场致发射、约瑟夫森结、磁隧穿结等等。扫描隧穿显微镜、原子钟也应用到量子隧穿效应。量子隧穿理论也被应用在半导体物理学、超导体物理学等其它领域。

扫描隧穿显微镜

值得一提的是，在量子生物学里，量子隧穿效应是几个重要的不平凡量子效应之一。对于许多生化学的氧化还原反应，例如，光合作用、细胞呼吸作用等等，电子的量子隧穿效应是关键因素。在DNA的自发性点突变里，质子的量子隧穿效应是关键因素。

总结

正是倚靠量子的叠加和纠缠等诸多特性，人类目前的感应、通信和计算领域都将发生相应的巨大变革，例如更加精准的量子传感器、保密性更高的量子通信以及夺取“量子霸权”后有望在特定领域乃至全方面超越经典计算机的量子计算机。

而在寻找量子计算机的过程中，量子物理学的不同领域，如量子光学、原子光学、量子电子学、量子纳米机械装置等也得到了统一，并被赋予了共同的“语言”，即量子信息理论。

在2016年欧洲量子大会上，3,400名科学家还签署并正式发布了《量子宣言》（The Quantum Manifesto），呼吁量子技术倡议协调学术界和工业界的关系，将量子技术从实验室推向工业界，培养理、工、商结合的量子技术人才。而在后文中，我们也将深入揭秘量子技术应用的具体案例，看看在通信和计算等领域，“量子”的力量究竟有多大！

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