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量子是什么?从“微观世界规律”到人类“新物理革命”

2020年10月20日 08:28 来源:新华社
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新华社合肥10月19日电 题:科普:量子是什么?从“微观世界规律”到人类“新物理革命”

记者徐海涛、董瑞丰

19世纪末,欧洲一些学者认为从牛顿力学到热力学、电磁理论,人类的“物理学大厦”已全部建成,再没有多少可研究的了。

但是,在1900年,德国物理学家马克斯·普朗克提出了量子理论,为人类开启了探索“微观世界规律”的“新物理革命”。量子理论也与相对论一起,成为现代物理学两大支柱。

打开“量子之门”:微观世界里的奇妙“叠加”与“纠缠”

量子是什么?根据量子理论,量子是最小的、不可再分割的能量单位。我们中学物理书上提到的分子、原子、电子,其实都是量子的不同形式。可以说,我们的世界由量子组成,我们每个人都是“24K”纯量子产品。

在我们日常生活的宏观世界里,物体的位置、速度等,都可以通过经典力学精确测算。但在微观量子世界里,却有着截然不同的奇妙物理规则,最有代表性的是“叠加”与“纠缠”。

在宏观世界,任何物体在某一时刻都有确定的状态和位置。但在微观世界,量子却同时处于多种状态和多个位置的“叠加”。

物理学家薛定谔曾用一只猫比喻量子叠加:箱子里有一只猫,在宏观世界中它要么是活的,要么是死的。但在量子世界中,它可以同时处于生和死两种状态的叠加。

如果用一个人来比喻,他不仅同时处于生和死两种状态的叠加,还可以同时身处多个地点,比如既在北京又在上海。

更难以想象的是,量子的状态还经不起“看”:如果你去测量,它就会从多个状态、多个位置,变成一个确定的状态和位置了。也就是说,如果你打开“薛定谔的箱子”,猫的叠加态就会消失,你会看到一只活猫或一只死猫。而“量子人”的“分身术”也会消失,他会出现在北京或上海。

叠加已经很奇妙,但当两个量子“纠缠”在一起,那种奇怪连爱因斯坦都难以接受。

根据量子理论,如果两个量子之间形成“纠缠态”,那么无论相隔多远,当一个量子的状态发生变化,另一个也会“瞬间”发生相应变化。爱因斯坦曾把这一现象称作“鬼魅般的超距作用”。

从“被动”到“主动”,两次“量子革命”深刻改变人类文明

量子理论诞生一百多年来,国际学界运用多种实验和数学方法检验均发现,量子的奇妙特性客观存在。

“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。”美国物理学家、诺贝尔奖获得者穆雷·盖尔曼曾这样说。

“量子理论的出现,在上世纪引发第一次量子革命,催生了现代信息技术。”中科院院士、中国科学技术大学常务副校长潘建伟介绍,基于量子理论,核能、激光、半导体等科技得以问世,进而发展出计算机、互联网、手机等重大应用。

进入21世纪,量子领域的新发现、新理论、新技术密集涌现,预示着“第二次量子革命”已进入加速期、起跑期。

“第二次量子革命的战鼓已敲响!”英国《自然》杂志评论说。

“第一次量子革命,人们只问量子理论能让我们做什么,不去问为什么,是被动的观测与应用。”中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿说,第二次量子革命则是主动利用量子特性,开发出量子通信、量子计算和量子精密测量等创新应用。

这些应用的革命性在哪里?简单来说,量子通信可以在理论上做到通信的绝对保密,量子计算可以令人类的运算能力实现指数级增长,比如传统计算机需要数万年才能破解的复杂密码,量子计算机几秒钟内就能破解。传统测量技术最小只能探测到微米量级,而量子测量可以进一步精细千倍、万倍达到原子量级。

中国量子崛起,美好未来可期

如今,量子科技已成为国际上风起云涌的战略科研方向。近期,欧盟拟投资80亿欧元支持新一代超级计算技术,量子计算是其中重要内容。美国开通国家量子协调办公室网站,并发布了聚焦八大研究领域的《量子前沿报告》。

而经过三十多年努力,中国已崛起为国际量子科研版图上的重要力量,在多个战略方向上实现领跑或进入第一阵营。

近年来,我国多次创造量子比特纠缠数量的世界纪录;发射世界首颗量子实验卫星“墨子号”,实现千里纠缠、星地传密、隐形传态三大科学目标;开通世界首条量子保密通信干线“京沪干线”,实现世界首次洲际量子保密通信。

当前,量子科技已进入“产业化前夜”。展望未来,量子计算有望为药物研发、能源勘探、金融分析、气象预报等大规模计算提供全新方案;量子测量发挥测量精度、灵敏度优势,有望在科研、医疗、能源、灾害预防等领域大显身手;量子通信融合量子计算技术,构成高速、安全的“量子互联网”,与人工智能、区块链等技术相结合,可为人类生活增添无限可能。

(责任编辑:CF001)

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