“矛盾”的量子世界

“矛盾”的量子世界8月16日凌晨，我国成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子”，探索卫星与地面之间的量子通信，有望研发出绝对安全的新一代密码技术。如果把量子通信比作成“坚固盾牌”，那么量子计算机就是“利剑长矛”。破解全世界最强的加密软件，超级计算机需要约100万年，而量子计算机可能只需要一个小时。日前，中国科技大学科研团队成功研发了半导体量子芯片和量子存储，并在世界上首次制备并测量了600对呈现纠缠状态的量子，迈出了量子计算技术发展的重要一步。在国家“十三五”规划纲要中，量子通信与量子计算机同时被列入国家科技创新2030重大科技项目。那么究竟什么是量子？它跟量子通信、量子计算机又有什么关系？让我们一起走进“矛盾”的量子世界，探寻其中的奥秘。本报记者陈诚无所不在的量子“精灵”什么是“量子”？它与原子、电子、中子这些客观存在的粒子一样，也是某一种物质实体吗？答案是否定的。“它不是一种粒子，而是能量的最小单位，是能量的最基本携带者。”河北师范大学物理科学与信息工程学院教授白彦魁说，人们所熟知的分子、原子、电子、光子等在内的微观粒子都是量子的表现形式。既然世界是由微观粒子组成的，从某种意义上来说，世界本身就是由无所不在的量子组成的。打开脑洞，想象一下，我们每个人就是一个庞大量子的集合，举手投足间，一次呼吸就包含着上万亿的量子在移动。“在经典物理学中，物质的能量是连续变化的，可以取任意值。”白彦魁说，而在量子物理学中，物质或者说微观粒子的能量倾向于不连续的变化。以光为例，我们说一个“光量子”，是因为一个光量子的能量是光能量变化的最小单位，光的能量是以光量子的能量为单位一个一个变化的。其他的粒子情况也是类似的。比如，在没有被电离的原子中，绕核运动的电子的能量是“量子化”的，也就是说电子的能量只能取特定的离散的值。只有这样，原子才能稳定存在，我们才能解释原子辐射的不连续光谱。实际上在量子物理学中，所有的物理量的值都是不连续地、离散地变化。1900年12月14日，在德国物理学会上，德国物理学家马克斯普朗克宣读了一篇论文，提出了能量子概念，把量子这个“精灵”引进了物理学。这一天被认为是量子力学的诞生之日。尽管普朗克最早猜测到微观粒子的能量可能是不连续的，但是要坚持这个观点，就意味着背叛经典物理学。作为一名传统而保守的物理学家，他认为自己制造的量子“精灵”破坏了物理学的完美，一度对自己的发现表示苦恼。然而，大量的实验事实让物理学界不得不接受事实。1905年，爱因斯坦把量子概念引进光的传播过程，提出“光量子”的概念；1913年，玻尔提出了量子化的原子结构理论；1926年，薛定谔建立了薛定谔方程量子理论在短时间内得以迅速发展，作为现代物理学的两大基石之一，为从微观层面理解宏观现象提供了理论基础。幽灵般的量子纠缠被物理学家称为“精灵”的量子并非浪得虚名，其自带的两大“绝技”困扰了全世界的物理学家。量子“精灵”的第一个绝技叫“量子纠缠”。在量子世界里存在着一种类似“心电感应”的现象，比方说，两张相距千里的纸张，当你在其中一张纸上书写的时候，另一张纸会立刻呈现出你所书写的信息，就像是双胞胎的心灵感应。“在微观世界，如果两个粒子之间存在着纠缠关系，则不管它们相距多远，只要一个粒子状态发生变化，另一个粒子状态也会发生相应变化。”白彦魁介绍说。爱因斯坦将这种现象称为“幽灵般的超距作用”。量子究竟为何会有这样的“绝技”？科学家们至今都无法破解。尽管量子纠缠的原理尚未可知，但是我们却可以利用这一现象作为安全通信的手段。量子纠缠的发现，为量子隐形传输提供了可能。通俗来讲，量子隐形传输是将甲地某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来。量子力学表明，处于纠缠态的两个光量子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化。“量子保密通信可以利用这个特性实现，即基于量子纠缠态的理论，通过量子密钥传输和量子隐形传态的方式实现信息的安全传递。”白彦魁说，传统的通信加密和传输安全依赖于复杂的算法，但只要窃听者的计算能力足够强大，再复杂的保密算法都可能被破解。专家解释说，量子通信基于光量子不可分割、不可复制的特性，传输时光子就无法被准确测量和精确复制，窃听者也就不可能把它分成两半，一半窃走，一半继续传给接收方。更奇妙的是，量子密钥一旦被测量截获，其自身状态会立刻发生改变，截获量子密钥的人只能得到无效信息，而信息的合法接收者也能立刻察觉，直到一把新的密钥安全无误地被接收。2009年，中国的科学团队成功实现了世界上最远距离的量子隐形传态，证实了量子隐形传态过程穿越大气层的可行性。2019年8月，中国科技大学的潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通信卫星”奠定技术基础。如今，我国研发的世界首颗量子科学实验卫星成功发射，有望在卫星与地面之间收发不可破解的“密电”。从经典通信到量子通信，一场通信技术革命已然来临。神秘的量子叠加除了量子纠缠，量子还有另外一项非常奇特的“绝技”量子叠加。什么是量子叠加？让我们首先认识一下在科学界知名度最高的一只萌宠“薛定谔的猫”。“一只猫放进一个封闭的盒子里，然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核和一个装有毒气体容器的实验装置。这个放射性原子核有50的可能性发生衰变。如果发生衰变，它会发射出一个粒子触发实验装置开关，容器中的毒气会释放，从而毒死这只猫。”1935年，量子力学创始人之一的薛定谔设想出这样一个实验。那么这只“薛定谔的猫”到底是死的还是活的呢？在经典物理学中，可以用某个物体的两个状态代表0或1，就像这只猫，或者死，或者是活，不可能同时处于死和活的状态中。而根据量子力学理论，在实验者没有开箱进行观测时，原子核处于衰变和未衰变的叠加状态，换言之，盒子里的猫处于既是活的也是死的状态。这种有违经典物理世界常识的“既生又死”的状态被称为量子叠加，是量子物理学与经典物理学的根本区别。在量子世界，不仅有0和1的状态，某些时候像原子、分子、光子可以同时处于0和1状态相干的叠加。比如光子的偏振状态，在真空中传递的时候，可以沿水平方向振动，可以沿竖直方向振动，也可以处于45度斜振动，这个现象正是水平和竖直偏振两个状态的相干叠加。量子计算机的计算原理和“薛定谔的猫”是一样的，利用的就是量子叠加态。在传统计算机中，每个数位只有两种状态，非“0”即“1”，而量子计算机利用量子叠加态让量子数位可以同时处于“0”和“1”这两种状态。摆脱了这种“非此即彼”的限制后，即便是一台性能一般的量子计算机也能完胜当今世界上最快的超级计算机。简单来说，传统计算机只能按照时间顺序一个个地解决问题，而量子计算机却可以同时解决多个问题，大幅缩短用户提取信息所需的时间。量子计算机可以在几天内处理以往传统计算机需数百万年时间才能处理的庞大数据，被科学家们寄予厚望。