揭秘量子力学中量子形成的秘密（世界量子日为何让科学家）

今天是第二个世界量子日，为什么科学家们称没有人真正理解量子？与我们有什么关系？目前我国量子科技处于什么地位？一起来了解>>>

整理/新媒体编辑 段大卫

4月14日是世界量子日，之所以世界量子日选在4月14日，是因为普朗克常数4.135667696×10-15eV·s, 约化为4.14，虽然这个数字现在修订为更准确的另一长串数字了。如果用国际单位，普朗克常数是6.62607015×10-34J·s。它是由来自65个以上国家的科学家在2021年发起的一项倡议，将以后每年的4月14日作为“世界量子日”，目的是为了激发人们对量子科技的兴趣和热情，提高公众对量子科学已经和将要对社会产生的积极影响的认识，是一个国际性关注量子科技的活动。量子是什么？它是如何改变了我们？目前我国量子科技处于什么地位？

“神秘”的量子世界

认识量子科技先要从量子说起。量子是什么？根据量子理论，量子是构成物质的最基本单元，是能量的最基本携带者，不可分割。一个事物如果存在最小的不可分割的基本单位，我们就可以说它是量子化的，并把最小单位称为量子。

所有人们所熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子，都是量子的一种表现形态。

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（图片来源：视觉中国）

中科院物理所研究员曹则贤在2020新年跨年科学演讲中曾打过这样一个比方，我们生活中可以见到的感​知到​的事物，包括光和能量的最小单位都能称之为量子。就像我们远处看鱼群是乌央乌央的一片黑，但是放大了看就是一条一条的鱼，这就可以说是鱼群的量子。

在中国科学技术大学副研究员、科普专家袁岚峰看来，量子的本意是个数学概念，简言之就是“离散变化的最小单元”。

什么叫“离散变化”？袁岚峰这样解释：我们统计人数时，可以有一个人、两个人，但不可能有半个人、1／3个人。我们上台阶时，只能上一个台阶、两个台阶，而不能上半个台阶、1／3 个台阶。这些就是“离散变化”。对于统计人数来说，一个人就是一个量子。对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子。如果某个东西只能离散变化，我们就说它是“量子化”的。

不同于我们认识的宏观世界，人们发现在量子这一微观世界中许多实验现象违背常识，完全无法用经典物理诠释。比如，根据经典物理学，一个客体的状态（用0和1表示）就像最简单的二进制开和关，只能处于开或者关中的某一个状态，即要么是0要么是1，这就好比一只猫，要么是生要么是死，不能同时“又生又死”。

但这一理论并不适用于量子世界：在量子世界中，一只猫可以处于又生又死的叠加状态。这种所谓的量子相干叠加正是量子世界与经典世界的根本区别。

更为神奇的是，这种叠加状态极其脆弱，一旦有人去测量，它就会立刻从叠加状态变为确定状态。

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▲掷骰子的结果是无法预测的，因为它对细节（例如手的动作）敏感。由于这部分信息未知，因此对于实际目的，掷骰子是随机的。(图片来源：视觉中国)

为了解这个问题，假设你有一个粒子和两个探测器，一个在左边，一个在右边。如果将粒子向左发送，则左检测器会发出滴答声。如果将粒子向右发送，则右检测器会发出咔哒声。但在量子力学中，你可以​做的​不止这些：你可以让一个粒子同时处于两种状态。例如，你可以通过分束器（beam-splitter ）发射粒子，这样之后它就可以既向左运动又向右运动。物理学家说粒子是左右“叠加”的。

美国物理学家、诺贝尔奖获得者穆雷·盖尔曼也曾发出感慨，量子力学是一个神秘的、令人捉摸不透的学科，我们谁都谈不上真正理解，只是知道怎样去运用它。

为改变而生的量子科技

虽然量子看起来很神秘，但量子科技距离人们其实没有那么遥远，量子科技带来了丰富的技术和应用，深刻地改变了人类的文明和历史。

量子科技为信息革命提供了硬件基础。激光、半导体晶体管、芯片的原理都源于量子力学。量子力学也使得磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位导航等新技术成为可能。没有量子力学，互联网和智能手机也不会存在。

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▲电子显微镜（图片来源：视觉中国）

量子科技也为材料科学技术、医学和生物学提供了分析工具，包括x射线，电子显微镜，正电子湮没、光学和磁共振成像等等。所以，量子是我们的老朋友。事实上，1990年代，诺贝尔奖得主莱德曼就指出，量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。现在的比例还要高得多，很难找到与量子无关的新技术。由此可见，量子力学是当代文明一个重要基础。

这些较传统的科学技术，建立在量子力学基础之上，已经发展比较成熟。而在今天，量子科技发展具有重大科学意义和战略价值，将引领新一轮科技革命和产业变革方向。

通过更精准地设计和操控量子态的这些特性，人们期待第二次量子技术革命中取得对传统技术体系产生冲击、进行重构的重大颠覆性技术创新，代表性的领域包括量子计算、量子通信和量子精密测量等。可以说，对量子态精确操控的实现，对人类生产力发展的推动作用将不亚于蒸汽机、发电机和半导体晶体管的发明。

面对即将到来的第二次量子技术革命，我们一方面期待它将带来的惊喜，另一方面，也要做好充分​的​准备抓紧这次的发展机遇，如中国科学院院士薛其坤院士所言，“科学家正在量子科学领域开疆拓土，而量子技术要真正给人类带来福祉，还需要更多创新创业者、企业家、投资人等的加入”。

中国量子科技挺进“第一阵营”

中国科学院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿表示，“量子三大领域，我们现在全方位都在第一梯队。原来量子计算相对落后，现在逐渐赶上来了。”

“潜力无限”的量子计算

量子力学的诞生和发展，为“计算”提供了新的可能性。随着科学家对量子力学基本原理的理解不断深入，人们发现，量子力学的一些基本特性，如叠加性、纠缠性等，能够大幅提高信息的编码和处理能力。一个设计合理的“量子算法”，能够带来显著的计算加速能力。

在去年的12月21日，美国物理学会Physics网站公布2021年国际物理学领域十项重大进展，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、陆朝阳等完成的“祖冲之二号”和“九章二号”量子计算优越性实验入选。这使我国成为目前国际上唯一同时在两种物理体系均达到“量子计算优越性”里程碑的国家。

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（图片来源：安徽网）

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▲“九章二号”整体装置图。（图片来源：中国科学技术大学）

“量子优越性”像个门槛，是指当新生的量子计算原型机，在某个问题上的计算能力超过最强的传统计算机，就证明其未来有多方超越的可能。

去年10月，“九章二号”求解高斯玻色取样比目前世界最快的超级计算机快10的24次方倍（亿亿亿倍）；“祖冲之二号”的计算复杂度，比谷歌推出的“悬铃木”提高100万倍。我国的“量子优越性”引人注目。

“现在可以说，我们的量子计算也进入世界第一方阵。”“九章二号”“祖冲之二号”由中国科学技术大学潘建伟院士团队牵头研制，团队成员、“九章二号”项目负责人陆朝阳说。

“安全可靠”的量子通信

近日，北京量子信息科学研究院、清华大学龙桂鲁教授团队和陆建华教授团队合作，设计和实现了一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统，通信距离达到百公里，是当前世界最长的量子直接通信距离。

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▲量子直接通信新系统原理示意图（图片来源：北京科技报）

传统的通信方式建立在加密算法或者加密技术基础之上，如果计算能力足够强大加密算法被破解，就有被窃听的风险。而量子的独有特性，使其具有不可克隆、测不准等“先天优势”。用量子做成的“密钥”来传递信息，加密的内容不会被破译，窃听者必然会被“抓包”，从而使得窃听者不能获得信号，进而保证传递的信息从原理上不可能被计算破译，因而具有绝对安全性。

“数据精准”的量子测量

2018年11月13日，第26届国际计量大会对千克、安培、开尔文、摩尔4个基本单位进行了重新定义，分别对应4个基本常数：普朗克常数、基本电荷、​波​尔兹曼常数、阿伏伽德罗常数。表决通过后，在2019年5月20日“世界计量日”起正式实施。此次国际单位制的重新定义，标志着国际单位制和精密测量的量子化时代到来，影响深远，意义重大。简而言之，量子计量是以时间频率单位为基础，以基本物理常数为中介，实现基本单位或导出单位的复现。

为统一国际计量单位，提升测量精度，国际计量大会对七个基本物理单位进行重新​的​量子化定义。这些常数统一定义以后，物理量的单位就可以在全世界任何地方被复现，不再需要溯源到国际计量局的实物基准，真正实现了“计量单位量子化、量值溯源扁平化”的目标。

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▲国际七个基本单位的量子化定义（图片来源：新华网）

物理单位实现量子化后，可显著提高测量精度。以时间单位“秒”和频率单位“赫兹”为例，实现量子化后，其准确度从百万分之一提高到万亿分之一，而光钟频率的不确定度甚至已低至千亿亿分之一，这些成果推动了卫星导航、计算机、互联网的大发展。另外，长度单位“米”实现量子化后，量值误差从0.1微米（万分之一毫米），迅速提升了上千倍，推动了战斗机等航空航天技术的提高。

在量子精密测量领域，中国科研水平和技术应用与欧美国家旗鼓相当、各具优势。近年，我国实现海森堡极限精度的单光子克尔效应测量、200公里单光子三维成像、在室温水溶液环境中探测到单个DNA分子的磁共振谱等重大成果，并在金刚石NV色​心​技术路线上研发出量子钻石单自旋谱仪、量子钻石原子力显微镜等“人无我有”的创新产品。在量子科技高速​发​展的同时，其发展与应用前景仍存在长期性和不确定性。中国信息通信研究院技术与标准研究所赖俊森博士介绍，以量子计算为例，可纠错逻辑量子比特的门槛尚未跨越，大规模通用量子计算仍是远期目标，量子计算系统架构和软件体系仍处于初步探索阶段，对工作环境的要求仍十分严苛，超导、光量子、离子阱、半导体、拓扑等多种技术路线并行发展，将来哪条路线将“胜出”仍未可知。

因此，量子科技前程远大但绝非坦途，不畏艰难险阻才能登上新的“量子高峰”，构筑新优势。

（资料来源：“中科院物理所”、“原理”微信公众号，新华网，人民网，北京科技报等）

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出品：科普中央厨房

监制：北京科技报 | 北科传媒

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