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科普:量子是什么?從“微觀世界規(guī)律”到人類“新物理革命”

2020年10月20日 09:15   來源:新華網(wǎng)   

  新華社合肥10月19日電 題:科普:量子是什么?從“微觀世界規(guī)律”到人類“新物理革命”

  記者徐海濤、董瑞豐

  19世紀末,歐洲一些學(xué)者認為從牛頓力學(xué)到熱力學(xué)、電磁理論,人類的“物理學(xué)大廈”已全部建成,再沒有多少可研究的了。

  但是,在1900年,德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克提出了量子理論,為人類開啟了探索“微觀世界規(guī)律”的“新物理革命”。量子理論也與相對論一起,成為現(xiàn)代物理學(xué)兩大支柱。

  打開“量子之門”:微觀世界里的奇妙“疊加”與“糾纏”

  量子是什么?根據(jù)量子理論,量子是最小的、不可再分割的能量單位。我們中學(xué)物理書上提到的分子、原子、電子,其實都是量子的不同形式?梢哉f,我們的世界由量子組成,我們每個人都是“24K”純量子產(chǎn)品。

  在我們?nèi)粘I畹暮暧^世界里,物體的位置、速度等,都可以通過經(jīng)典力學(xué)精確測算。但在微觀量子世界里,卻有著截然不同的奇妙物理規(guī)則,最有代表性的是“疊加”與“糾纏”。

  在宏觀世界,任何物體在某一時刻都有確定的狀態(tài)和位置。但在微觀世界,量子卻同時處于多種狀態(tài)和多個位置的“疊加”。

  物理學(xué)家薛定諤曾用一只貓比喻量子疊加:箱子里有一只貓,在宏觀世界中它要么是活的,要么是死的。但在量子世界中,它可以同時處于生和死兩種狀態(tài)的疊加。

  如果用一個人來比喻,他不僅同時處于生和死兩種狀態(tài)的疊加,還可以同時身處多個地點,比如既在北京又在上海。

  更難以想象的是,量子的狀態(tài)還經(jīng)不起“看”:如果你去測量,它就會從多個狀態(tài)、多個位置,變成一個確定的狀態(tài)和位置了。也就是說,如果你打開“薛定諤的箱子”,貓的疊加態(tài)就會消失,你會看到一只活貓或一只死貓。而“量子人”的“分身術(shù)”也會消失,他會出現(xiàn)在北京或上海。

  疊加已經(jīng)很奇妙,但當(dāng)兩個量子“糾纏”在一起,那種奇怪連愛因斯坦都難以接受。

  根據(jù)量子理論,如果兩個量子之間形成“糾纏態(tài)”,那么無論相隔多遠,當(dāng)一個量子的狀態(tài)發(fā)生變化,另一個也會“瞬間”發(fā)生相應(yīng)變化。愛因斯坦曾把這一現(xiàn)象稱作“鬼魅般的超距作用”。

  從“被動”到“主動”,兩次“量子革命”深刻改變?nèi)祟愇拿?/p>

  量子理論誕生一百多年來,國際學(xué)界運用多種實驗和數(shù)學(xué)方法檢驗均發(fā)現(xiàn),量子的奇妙特性客觀存在。

  “量子力學(xué)是一個神秘的、令人捉摸不透的學(xué)科,我們誰都談不上真正理解,只是知道怎樣去運用它!泵绹锢韺W(xué)家、諾貝爾獎獲得者穆雷·蓋爾曼曾這樣說。

  “量子理論的出現(xiàn),在上世紀引發(fā)第一次量子革命,催生了現(xiàn)代信息技術(shù)。”中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長潘建偉介紹,基于量子理論,核能、激光、半導(dǎo)體等科技得以問世,進而發(fā)展出計算機、互聯(lián)網(wǎng)、手機等重大應(yīng)用。

  進入21世紀,量子領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)、新理論、新技術(shù)密集涌現(xiàn),預(yù)示著“第二次量子革命”已進入加速期、起跑期。

  “第二次量子革命的戰(zhàn)鼓已敲響!”英國《自然》雜志評論說。

  “第一次量子革命,人們只問量子理論能讓我們做什么,不去問為什么,是被動的觀測與應(yīng)用!敝锌圃涸菏、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦說,第二次量子革命則是主動利用量子特性,開發(fā)出量子通信、量子計算和量子精密測量等創(chuàng)新應(yīng)用。

  這些應(yīng)用的革命性在哪里?簡單來說,量子通信可以在理論上做到通信的絕對保密,量子計算可以令人類的運算能力實現(xiàn)指數(shù)級增長,比如傳統(tǒng)計算機需要數(shù)萬年才能破解的復(fù)雜密碼,量子計算機幾秒鐘內(nèi)就能破解。傳統(tǒng)測量技術(shù)最小只能探測到微米量級,而量子測量可以進一步精細千倍、萬倍達到原子量級。

  中國量子崛起,美好未來可期

  如今,量子科技已成為國際上風(fēng)起云涌的戰(zhàn)略科研方向。近期,歐盟擬投資80億歐元支持新一代超級計算技術(shù),量子計算是其中重要內(nèi)容。美國開通國家量子協(xié)調(diào)辦公室網(wǎng)站,并發(fā)布了聚焦八大研究領(lǐng)域的《量子前沿報告》。

  而經(jīng)過三十多年努力,中國已崛起為國際量子科研版圖上的重要力量,在多個戰(zhàn)略方向上實現(xiàn)領(lǐng)跑或進入第一陣營。

  近年來,我國多次創(chuàng)造量子比特糾纏數(shù)量的世界紀錄;發(fā)射世界首顆量子實驗衛(wèi)星“墨子號”,實現(xiàn)千里糾纏、星地傳密、隱形傳態(tài)三大科學(xué)目標(biāo);開通世界首條量子保密通信干線“京滬干線”,實現(xiàn)世界首次洲際量子保密通信。

  當(dāng)前,量子科技已進入“產(chǎn)業(yè)化前夜”。展望未來,量子計算有望為藥物研發(fā)、能源勘探、金融分析、氣象預(yù)報等大規(guī)模計算提供全新方案;量子測量發(fā)揮測量精度、靈敏度優(yōu)勢,有望在科研、醫(yī)療、能源、災(zāi)害預(yù)防等領(lǐng)域大顯身手;量子通信融合量子計算技術(shù),構(gòu)成高速、安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”,與人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)相結(jié)合,可為人類生活增添無限可能。

(責(zé)任編輯:孫丹)