量子物理.docx

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量子物理

首先，什么是量子物理？

量子物理是我们目前最前沿的一门科学，它之所以非常难以理解，其实是因为它“尺度太小”。

我们比较熟悉的是日常生活中的那些尺度，比方说一张桌子1米，一根头发丝1毫米。

但量子物理的研究对象，实际上比头发丝的尺度还要小几千万，甚至几亿倍。

而量子，其实是一种物理上的概念，它是物质和能量的最小离散单元，是一个非常小的物理量。

你想象一下，现在有束光照到你的脸上。

我们把这束光分割开来，分成一份一份的小颗粒，这种小颗粒，就叫做光子。

光子非常小，一个40的瓦灯泡一秒钟就能放出万亿亿个光子，也就是10的20次方个光子。

同时，组成物质的基本单位是一个原子或者一个分子，它的尺度是10的负10次方米（注意是负哦），比纳米还要小十倍。

这时候你就要问了，我知道光子很小啊，但那又如何呢？

接下来，我就用一个非常简单的实验带你们看看，这么小的一个量子世界将会产生哪些诡异现象。

保龄球现象

大家都知道保龄球，我们不妨拿它来举例。

首先，我们在球道上设置几个障碍物。

按通常理解，保龄球只有通过这两道狭缝才能穿过去。

打了很多次之后我们发现，后壁上留下的保龄球撞击痕迹，就只有这两个狭缝所对准的两个区域才会出现。

现在，我们把这个保龄球缩小，一直缩小到比头发丝还要小几亿倍，变成一个电子，然后我们来重复刚才说的这么一个游戏。

同样重复多次之后，我们发现了一个非常奇异的现象——

原来后壁上只有两道条纹，可现在却出现很多道，而且中间被阻隔的那条居然变成电子保龄球出现次数最多的地方！

这就让人非常难以理解了吧？

到底是什么原因呢？

如果受困于经典物理学，就会陷入思维的死局：

这货不该不是从左边狭缝滚过去，就是从右边滚过去吗？

而当我们跳出这种思维模式，站在量子力学的角度思考，一切就会豁然开朗：

在量子力学的世界里，这个球被扔过去之后，它就像是会分身一样，同时经过两条狭缝，然后它又像水波纹一样，在最中间形成一个干涉条纹......

这就是量子世界和我们日常所见非常重要的一个区别：

量子可以允许几种状态同时存在。

就是说可以允许左边和右边，红线和蓝线同时存在。

你说，像不像是孙悟空的分身术？

“薛定谔的滚”

再举个更通俗点的例子。

你们可能都知道著名的“薛定谔的猫”实验：

在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质。

之后，有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫，同时有50%的概率放射性物质不会衰变，猫将活下来。

如果用量子物理来解释这个实验的话，版本将会是：

假设这只猫处于量子状态，那么它可以既是死的也是活的。

当然，你也可以用它的升级版——“薛定谔的滚”来解释：

当一个妹子叫你滚的时候，你不知道她是在叫你滚还是叫你过来抱紧。

此时的你应该处于一种又抱又滚的量子力学状态......

至少我觉得，这个例子不能更形象了呢2333

ok，回到保龄球实验。

如果这时候，我们拿眼睛来观察一下，这个保龄球到底是从左边还是右边过去的，会是什么情况？

奇迹发生了！

保龄球同时通过左边和右边的现象消失了，它又回到了符合经典物理学的状况！

这恰恰是量子世界与日常第二个非常重要的区别：

在量子世界里，我们施加的信息和观测会反过来影响物理系统。

也就是说...只是因为在人群中多看了它一眼......它都会不按“常理”出牌。

量子世界，奏是这么任性。

量子纠缠现象

以上说的是一个量子无法分辨它寄己的状态，那么如果两个以上量子互相碰撞，会产生怎样的火花呢？

答案是，更奇妙的现象即将产生。

这个现象叫“量子纠缠”。

爱因斯坦把量子纠缠称为“遥远地点之间的诡异互动”。

这是什么意思呢？

比方说，我们通过某种方式把两个骰子制备成量子纠缠，我拿其中一颗去到欧洲甚至更远的地方，你拿着另一颗留在上海。

两颗骰子之间可谓相隔了千山万水。

然后，我在欧洲扔这个骰子，如果数字显示是1，那么你手中的骰子数字也必须是1；如果我扔的是3，你的也是3；扔了6的话你的也会是6。

也就是说，这两颗骰子之间有种非常诡异的互动行为。

说到这里，相信大家对量子物理的世界有了个初步的概念。

其实量子的世界奇妙无比，还有很多说起来让人觉得很有意思的现象。

但我现在想请大家思考这样一些问题：

这些现象、这些原理意味着什么？

其中哪些可以为我们所用？

缺少目标的教育是彻底的失败，

所有理论也都是为了运用于实践。

将原理转化成技术，让他真正为人类造福，才是我们的最终目的。

这也是我接下来想跟大家探讨的东西。

最近30年，得益于实验物理学的一些重要进展，比如说激光的发明等，使得我们现在可以在实验室里真真切切的隔离出一个原子和一个光子。

然后，我们可以对它们进行一些操控，就像指挥一个交响乐团那样。

比如，让这个原子拉小提琴，让那个原子打鼓。

这些技术引发出前段时间欧盟发布的白皮书里所称的“第二次量子革命”。

而这次革命，同时也带来了量子物理领域的新技术。

首先是量子通信技术。

我们今天所使用的光纤网络，其实都是可以被窃听的，因为它有几亿个光子、几个亿电子，你总是可以把它分出一点点来窃听它的状态。

而量子是一个最小的单位，所以无法对它进行分割，如果我们用单个光子来做信息传输，那么就没有人可以从中分出一点去窃听。

理论上，量子保密通信是一种无条件安全的通信方式。

等我们把量子通讯发展的基础设施建好了，未来3到5年中，我们可能就可以发展出一个天地一体化的量子通信网络，形成下一代的“量子互联网”，用来保障国家安全，同时还可以惠及手机银行支付、网上银行等等一些应用，这是量子物理可以给我们带来的最实用的方面。

其次是量子计算。

我们知道，计算基本单元叫做一个比特，或者叫做0或1，它每次只可以处于一个状态，要么1要么0。

但是刚才我们谈到，量子其实是可以多种状态同时存在。

也就是说，我把左边的狭缝定义成0，右边的狭缝定义成1，做一个逻辑比特，它可以0和1同时存在，也即一个量子比特可以有两种状态同时存在。

那么，如果有两个量子比特，它就可以有4种状态同时存在；如果我有10个的话，它就可以有1024种状态同时存在。

当这个量子比特的数目变得非常多，比如说50个量子比特时，2的50次方状态同时存在，那将是一个非常巨大的数字。

2的50次方有多大？

如果你用计算机按一下就会发现，这个厚度其实是超过了地球到太阳的距离。

未来，我们正是希望能发挥出量子计算在这些方面的作用。

在发展出通用的量子计算机之前，我们可能会先发展出一些为专门目的而设计的量子模拟机，用来解决一些特定的、具有重大经济和社会价值的问题。

比如说高温超导，我们现在对高温超导的机制还搞不明白，一旦我们能够把这个机制搞清楚，我们就可以把它用来指导、设计超导的一些新材料，这样就可以解决很多的能源问题。

比如高效的氮固化。

我们很多人都在小学课本里学过，大豆的根瘤菌可以把空气里面的氮气转化成氮肥。

但是这么一个量子化学的过程，我们现在没有办法把它计算清楚。

目前我们要耗用全世界10%的电量来制造氮肥。

如果可以用量子计算机把这个问题解释清楚的话，就可以省下这巨大的能耗。

最后，我想说的是量子信息和我们中国有关的一些事情。

目前在量子通信的研究领域，中国目前在量子通讯方面已经处于一个全面领先的地位，前几年英国《自然》杂志曾撰文称，中国在量子通讯领域已从十年前不起眼的国家发展为现在的世界劲旅，领先欧洲与北美。

量子计算方面，因为谷歌、IBM这些公司的介入，中国目前是在量子计算某几个点上处于国际领先的地位。

去年8月16号，中国在世界上发射了首颗量子通信实验卫星（传送门|），入选了英国《自然》杂志评选的“2016年度国际重大科学事件”，以及《科学美国人》评选的“2016年改变世界的十大创新技术”，这也是唯一一项北美之外的入选技术。

之前100年，量子力学已给我们带来了很多激动人心的惊喜。

我们也很有理由相信，在未来的100年，量子力学也会给我们带来更多激动人心的惊喜。

文源造就Talk

我们希望，量子信息时代能够给中国一个重新洗牌、弯道超车的机会，我们能够把整个国家的力量整合起来，在量子信息这样一个新的领域，在国际上取得一个比较领先的地位。

这就是，我们量子通信人的梦想。