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科普中國 2025-06-28 14:43:35
你可能從某處聽過“量子”這個東西，也很有可能聽說過量子跟其他東西的搭配，諸如量子力學(xué)、量子材料、量子信息、量子計算之類的。但量子到底是什么呢？
量子和它的“反直覺”
我們在物理學(xué)上都學(xué)過，物質(zhì)是原子組成的。原子內(nèi)部則是質(zhì)子、中子和電子。后來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)我們的世界可以最終劃分成有限種類的一群基本粒子。在這個層面上，無論我們?nèi)绾翁剿?，所分析的都是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單元。但量子跟它們不一樣，它并不是指特定的某些粒子。如果某個物理量存在最小的不可分割的基本單元，我們就說這個物理量是量子化的，把這個最小單元就稱為量子。從這個意義上說，量子是物質(zhì)的一種屬性，它可是物質(zhì)的能量、動量、角動量、電荷、磁矩等等各種屬性對應(yīng)的基本單元。
打個不是太精確的比方，全世界各個國家都發(fā)行了自己國家的貨幣。每個國家的貨幣，名字大都不太一樣，有人民幣、美元、英鎊、日元、越南盾、伊拉克第納爾等等，它們的匯率、購買力也不太一樣。但是所有的貨幣，都存在一個最小單位，可以是分，也可以是厘、便士、費爾、樞……這些最小單位跟它們能購買到的商品未見得有什么直接的關(guān)系，但卻可以用來度量這些商品——你或許可以試著把量子，想想成物理世界的這種最小單元。
如果我們基于量子物理學(xué)來觀察整個世界，就會發(fā)現(xiàn)一些非常“反直覺”的現(xiàn)象。
首先，量子并不像我們宏觀世界看到的實體一樣，會有特定的體積和形狀。雖然我們經(jīng)常把看不見的微觀粒子統(tǒng)一想象成一個個小球，實際上它們存在的方式是千奇百怪的。它是“波”，有時是出現(xiàn)在特定某處的“粒子”。這就是所謂的“波粒二象性”。
其次，量子的出現(xiàn)充滿了不確定性，可以用“隨心所欲”來形容。我們只知道它在某時某刻出現(xiàn)在某地的概率有多大，卻無法知道它是否一定就會出現(xiàn)在那里。所以它可以毫不費力地穿越到微觀“墻體”的另一側(cè)，因為它有出現(xiàn)在那側(cè)的概率。
再者，量子的這種不確定性，是可以相互疊加的。也就是說，如果把兩個量子放在一起，它們各自具有不確定性，但它們整體又疊加成了新的不確定狀態(tài)。在特殊情形下，它們各自的不確定性還會糾纏在一起，一旦其中某一個量子狀態(tài)發(fā)生了變化，另一個量子必然會發(fā)生對應(yīng)的變化。有了這些神秘的疊加和糾纏，你就可以實現(xiàn)更加復(fù)雜的量子態(tài)傳輸。
最后，量子世界仍然可以回歸到宏觀世界中來。如果有許許多多的量子疊加或糾纏在一起，就構(gòu)成了非常復(fù)雜的狀態(tài)。以至于，再要想分辨某一個特定粒子的量子特征，已經(jīng)是不可能了。比如前面提到的一滴水，如果我們忽略水里面單個原子的具體行為，而只關(guān)心這一大群原子的行為，那么我們看到的，就只是一滴水。
所以，要理解量子力學(xué)的世界觀，最重要的就是要摒棄你在宏觀世界根深蒂固的先驗概念，并主動去接受那些貌似“反直覺”的物理規(guī)律，再最終試圖回歸到合理的宏觀現(xiàn)象中來。
不管你相信還是不相信，我們這個宏觀的世界，還是由無數(shù)個量子組成的。我們看到的光、聽到的聲音、感受到的溫度，本質(zhì)上都是量子層面各種復(fù)雜的相互作用形成的。所以，你看似感受不到的量子，又無處不在無時不刻地感受到了。
量子通信
量子通信是量子信息科技的一個分支。量子通信不應(yīng)該簡單地從字面理解為用量子來通信，它的真實含義更廣泛，是利用量子力學(xué)原理對量子態(tài)進行操控，在兩個地點之間進行信息交互，來完成經(jīng)典通信所做不到的事情。
按照應(yīng)用場景和傳輸?shù)谋忍仡愋?，量子通信可分為“量子加密通信”和?span id="8f7gqgx" class="" style="line-height: 1.8; text-indent: 2em; text-align: justify;" data-mce-style="line-height: 1.8; text-indent: 2em; text-align: justify;">量子比特傳輸”兩個方向。
第一個方向量子加密通信，以“量子密鑰分發(fā)”技術(shù)或者量子隨機數(shù)產(chǎn)生技術(shù)為基礎(chǔ)，建立牢不可破的量子密鑰。這也是目前唯一進入產(chǎn)業(yè)化的量子通信技術(shù)。
量子密鑰分發(fā)生成的密鑰是一組真隨機的二進制數(shù)，用最簡單的異或算法加密就能實現(xiàn)無法破解的密文，幾乎不耗費任何計算資源。同時量子力學(xué)中的量子不可分割原理和不可克隆定理保證了該密鑰在分發(fā)過程中不會被任何第三方無感知地截獲，就是說任何竊聽都會被通信的雙方馬上發(fā)現(xiàn)。
第二個方向“量子比特傳輸”利用量子糾纏來傳輸量子比特，是為量子計算機服務(wù)的量子通信，將應(yīng)用于未來量子計算之間的量子互聯(lián)網(wǎng)。這個方向目前還處于科研階段，距離實用化和產(chǎn)業(yè)化還非常遙遠。
量子計算
在芯片中，數(shù)百億個晶體管遵循一種被稱為“布爾代數(shù)”的二進制邏輯進行運算。隨著晶體管的尺寸越來越小，逼近納米級別，芯片的運算能力已經(jīng)幾乎到達極限了。在這種情況下，人類對超越當(dāng)前范式的新算力需求呼之欲出了。量子計算應(yīng)運而生。
在量子世界，信息的最小單位就成了量子比特。邏輯上，它是一個可相干疊加的兩態(tài)系統(tǒng)；物理上，它是某個可區(qū)分的（準）二能級系統(tǒng)。量子比特的可疊加性，使得他們的信息編碼能力比經(jīng)典比特要強很多，但這還不夠，多個量子比特在一起，可以形成復(fù)合系統(tǒng)，如果它們之間能夠糾纏起來，那就是見證奇跡的時刻了。
以兩個量子比特形成的復(fù)合系統(tǒng)為例：這個系統(tǒng)可以處于某種量子態(tài)，此時將它們當(dāng)成整體來看，系統(tǒng)是量子的，但一旦單獨去看某一個量子比特，系統(tǒng)就不再是量子的。換言之，復(fù)合系統(tǒng)只能當(dāng)做整體來看，從它的子系統(tǒng)上是得不到信息的。從數(shù)學(xué)上講，糾纏系統(tǒng)張開了一個更大的直積空間，而這個直積空間的維度是隨比特數(shù)指數(shù)增長的。在這里列舉幾個恐怖的數(shù)字：當(dāng) N=50 時，這個空間的維度大約相當(dāng)于現(xiàn)在最先進的超級計算機一秒的計算次數(shù)；當(dāng) N=300 時，維度已經(jīng)超過了整個已知宇宙中所有的原子總和。
糾纏所帶來的這種恐怖的維度擴張，為計算問題提供了巨大的處理空間，使得某些問題可以在更高維度上尋求更高效的解決路徑。傳統(tǒng)計算機及理論經(jīng)過百余年的發(fā)展，已經(jīng)能夠高效解決很多問題，但仍有很多問題無法解決，比如說天氣預(yù)報，股票價格，癌癥藥物……如果這些問題都能準確計算，那我們的世界將變得特別美好。
量子精密測量
量子精密測量是量子力學(xué)的重要應(yīng)用之一。精密測量是科學(xué)研究的基礎(chǔ)。整個現(xiàn)代自然科學(xué)和物質(zhì)文明是伴隨著測量精度的不斷提升而發(fā)展的。經(jīng)典世界中，一般情況下可以通過兩種方式來提高測量精度。第一種是制備和利用分辨率更高的“尺子”。第二種方式是通過多次重復(fù)測量來減少測量的誤差，提高測量精度。
隨著量子力學(xué)基礎(chǔ)研究的突破和實驗技術(shù)的發(fā)展，人們不斷提升對量子態(tài)進行操控和測量的能力，從而可以利用量子態(tài)進行信息處理和信息傳遞。利用特定量子態(tài)，如糾纏態(tài)及壓縮態(tài)等強關(guān)聯(lián)性質(zhì)，將噪聲對系統(tǒng)的影響大幅降低，進而可以進一步提高測量靈敏度。如果讓 N 個量子“尺子”（即量子精密測量中的探針）的量子態(tài)處于一種糾纏態(tài)上，外界環(huán)境對這N個量子“尺子”的作用將會相干疊加，使得最終的測量精度達到單個量子“尺子”的 1/N。這一精度突破了經(jīng)典力學(xué)的散粒噪聲極限（根號 N 分之一），是量子力學(xué)理論范疇內(nèi)所能達到的最高精度——海森堡極限。
作為新興的研究領(lǐng)域，量子精密測量是量子信息技術(shù)的重要組成部分。除了可以突破經(jīng)典力學(xué)極限的超高精度之外，還可以抵抗一些特定噪聲的干擾。當(dāng)前，利用電子、光子、聲子等量子體系已經(jīng)可以實現(xiàn)對電磁場、溫度、壓力、慣性等物理量的高精度量子精密測量，科學(xué)家也在實驗演示了量子超分辨顯微鏡、量子磁力計、量子陀螺、量子雷達等，并應(yīng)用在材料、生物等相關(guān)學(xué)科研究中。
結(jié)語
你可千萬別覺得量子是個看不見摸不著玄而又玄的東西。實際上，如今與量子相關(guān)的應(yīng)用已經(jīng)無處不在。家里的 LED 燈、手機、電腦，醫(yī)院里的 CT 或核磁共振掃描，開車用的導(dǎo)航系統(tǒng)，統(tǒng)統(tǒng)都用到了量子科技。在不久的將來，量子計算、量子通信和量子精密測量等量子技術(shù)，還將給我們的生活帶來翻天覆地的變化！
責(zé)編：周順
一審：周順
二審：劉文韜
三審：楊又華
來源：科普中國
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