通俗解读量子科技背后的原理

瑞典皇家科学院近日宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所做出的贡献。

立于前沿领域，量子科学历来是诺贝尔奖的常客，从20世纪早期普朗克等科学家率先提出，到21世纪登上新的台阶，量子在某种意义上解构了传统物理学，开创了一个全新的境界，改变了人类对世界的认识。

近年兴起的量子概念，并非是彻头彻尾的新鲜事物，只是量子科技掀起了新一轮变革而已。人们所熟知的原子弹、激光等技术，都与量子科技息息相关。

进入新世纪后，量子科技向着更深层次发展，如今主要聚焦量子计算、量子通信、量子测量。

▲2022年诺贝尔物理学奖得主

提到量子计算，就不得不说量子理论中经典的不确定性原理，也叫测不准原理。科学家发现，在微观领域，同时测定粒子的位置和速度是不可能的，这令人匪夷所思。

当你开车的时候，当然是既知道自己在哪，也能从仪表盘上得知车速有多快。微观世界却与之不同，观测一个粒子时，作为观测手段本身的光子，其能量将会显著影响到观测对象，比如把观测对象撞飞，肯定就测不准了。

受传统物理学统治的日常生活，同样存在不确定性原理，只是对粒子而言，物体过于庞大，偏差基本可以忽略不计，不会对生活造成任何影响。

不确定性带来新的问题，即量子的叠加态。薛定谔曾提出一个著名的物理学假设：将一只猫放在一个暗箱中，如果猫触发机关，将被释放出的毒气杀死，反之猫不会死。

在开箱之前，没人能够断言猫究竟是死是活，因而，猫在开箱前的状态是既死又活的，当人们开箱观测时，波函数瞬间崩塌了，倒向唯一一种结果。

也就是说，在量子理论视域下，微观世界的运动在某种程度上取决于观测。如果波函数始终平稳，又如果可以准确地测定每个粒子的位置和速度，那么，我们将拥有预言未来的能力，显然，目前是无法实现的。

但量子叠加态却带来无限可能，量子计算便是最好的例证。亦如猫可以既死又活，在人们没有观测时的数值，也可以既正又负。

众所周知，计算机使用二进制，一切数据转化为计算机语言均由0和1组成，引入量子计算后，一个量子比特可以同时是0和1中的任意数值，也可以随时变成两个数中的任意一个。

这就厉害了，仅是可变的数值便会让计算机的运算能力暴增。原本一串0和1的组合，能够被量子放大为无数种组合方式，并在同一时间完成不同运算。

据研究，由1024个量子组成的量子计算机，其运算能力超过现今世界所有计算机的总和，而且，它没有理论上限。强大的运算能力若经合理开发运用，人类科技或许将实现跨越式发展。

▲量子计算（概念图）

量子通信是另一项令人惊叹的科技，如若成真，信息技术将达到前所未有的速度。

目前认为，光速是宇宙的极限，在理论上是不可超越的。真空中每秒能飞越30万公里的光，给了人们的生活以极大便利，实际发生的和肉眼所看到的，几乎别无二致。

即便远隔重洋召开视频会议，也在光缆或无线电通信的加持下实现即时交流，但若离开地球，置身浩瀚的宇宙，光速就显得不那么快了。

美国“阿波罗计划”登月过程中，地月间通信延迟1.2秒，因为信号要飞过约38.5万公里方能到达地球。

1.2秒不会对通信造成过大影响，相比之下，已飞抵太阳系边缘（不严谨的说法）的旅行者1号算是个更好的例子，后者与地球通信一次，需耗时17小时。

量子通信或将改变这一状况。除了叠加态，量子还存在纠缠态，通俗地说，一些量子可以成对出现，并呈现相对应的形态。

好比一枚硬币，正反两面是叠加的，同时也是纠缠的，正面朝向天空，反面一定被压在地面。量子理论中，纠缠的量子可以近在咫尺，亦可以远在天涯。

假如地球上一个量子与银河系另一侧的一个量子构成纠缠关系，那么从地球上的量子状态，就能够知道远在银河系另一侧量子的状态，这个过程没有任何时差。

这意味着，量子通信突破了光速。需要说明的是，不是量子运动的速度超过了光速，而是量子纠缠的特性避开了光速限制，它们传递信息时没有途经任何通道和介质。

其实，量子通信技术已得到部分运用，主要集中在密码学方面，为通信的安全性提供了强大保障，但我们距离真正的量子通信还有很远。

得益于量子的不确定性，未来，信息的传递将难以被窃听，因为完完全全的量子通信没有传输媒介，根本找不到截获的路径，即便截获，信息将在被观测时瞬间崩塌，非法观测者得到的，将是不准确的信息。

▲量子通信（概念图）

现今，虽然对量子科技研究取得了显著进展，但与上述这些超越想象的运用仍有很大差距，甚至有如电报发明伊始和智能手机普及之间的跨度，不过，相信这些前沿科技终有一天能够成为人们生活的常态。

有些人要问了，据说量子科技可以使人与物实现“幻影移形”？这个认识存在误区，量子通信只传递信息，而非量子自身的位移，所以从现阶段的研究看来，用量子传递实体是不科学的说法。

至于未来是否能够通过量子或更前沿的科技达到瞬移或超越光速，也不是完全不可能，这需要进一步探索。

还有一些市面上炒作的“量子”科技，比如量子水等保健用品，无非是打着科学的旗号和噱头搞营销，甚至可以称之为诈骗。如此厉害的科技，军方都没有推广运用，怎么可能给老百姓拿来养生？

遥望星空，无边无际。以量子叠加态实现海量运算，以量子纠缠态实现即时通信，可谓人类向星际文明进发的信心、底气、保障。

（文内图片来自网络）