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让中央集体学习的量子科技究竟是啥?这个科普我已经做了五年(一)量子是什么 | 袁岚峰
发布时间:2020-11-02 来源:中国科学技术大学网络科普 浏览:10


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西瓜视频:

https://www.ixigua.com/6888549877198881288?logTag=K1qpyJIg-AXFK4v4bvYCb

本视频发布于2020年10月28日,一天内播放量已近三百万

2020年10月16日,中共中央政治局就量子科技研究和应用前景举行集体学习。各路媒体铺天盖地一通报道,人民群众也纷纷提问:量子科技是什么?

可以告诉大家,这方面的问题问我就对了。20153月,我的第一篇科普文章讲的就是量子科技(https://weibo.com/p/1001603817899448994963)。从那以来,我做过很多这方面的科普,已经做了5年。

作者的第一篇科普文章《科普量子瞬间传输技术,包你懂!》

其中有一篇最系统的文章,是应新浪科技“科学大家”栏目之邀写的,叫做《你完全可以理解量子信息》(https://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081.shtml),有4万字。包括科技部领导、安徽省委省政府领导在内的很多人,都非常喜欢这篇文章,他们看了以后确实对量子信息获得了全面的了解。

4万字干货!你完全可以理解量子信息》

最近《环球时报》发了一篇科技版头条文章《量子科技对中国有多重要 | 环球时报》,其中引用的科技界人士就是薛其坤院士、潘建伟院士和我。

量子科技对中国有多重要》
https://hqtime.huanqiu.com/share/article/40N4yDgTeZm

作者接受《环球时报》采访

实际上,每次量子领域有重要新闻,都会有一群媒体来找我。所以一件很有趣的事是,我并不是做量子信息研究的,却成了许多媒体眼中的量子信息专家!

原因其实也很简单。我的专业是理论与计算化学,它的理论基础就是量子力学,所以我跟量子信息的距离并不遥远。我仔细读过量子信息的教材,对这个学科有了基本的了解。

著名教材《量子计算和量子信息》

我还认识了很多量子信息的一线研究者,如潘建伟研究组的陆朝阳、陈宇翱、张强等人以及跟他们合作做理论的清华大学教授王向斌等人,还有郭光灿院士和杜江峰院士研究组的不少人。每当有什么疑难问题,我都会咨询他们。他们有什么想对公众表达的,也会来找我。所以我很高兴,成为了量子信息研究者与公众之间的一个桥梁。

听到这些背景,大家就可以明白,我对量子信息的介绍是准确可信的,因为我讲的是踏踏实实的科学原理。

许多所谓科普讲的是各种玄而又玄、莫名其妙的说法,主要目的是把人吓住,产生一种不明觉厉的神秘感。

《我们的认知再度崩塌了,我们认识的世界可能根本不存在》(https://www.sohu.com/a/196284824_256881

还有不少所谓科普讲的是阴谋论,认为量子通信是伪科学,甚至认为整个量子力学是伪科学。

 王国文《扫谎打非:敦促潘建伟院士走出迷途》

https://www.xcar.com.cn/bbs/viewthread.php?tid=27115527

我讲的完全不是这些。如果你想真正学到东西,提升自己的思维层次,你就应该踏踏实实地学习科学原理。

下面,我们打算分几期节目,全面地介绍量子科技。其中的大部分内容,就来自《你完全可以理解量子信息(1) | 袁岚峰这篇4万字文章,当然会加上一些凝练和新的进展。想深入了解的朋友,也可以直接去读文章。虽然这文章是2017年写的,不过基本原理现在仍然完全成立。

最基本的问题是,“量子”(quantum)是什么?

许多人一听到量子,第一反应就是把它理解成某种粒子。但只要是上过中学的人,都知道物质是由原子组成的,原子是由原子核与电子组成的,原子核是由质子和中子组成的。那么量子究竟是个什么粒子?它跟电子、质子、中子相比是大是小呢?

其实这是个误解。量子的本意是一个数学概念。一个事物如果存在最小的不可分割的基本单位,我们就说它是量子化的,并把最小单位称为量子。

例如我们统计人数时,可以有一个人、两个人,但不可能有半个人。我们上台阶时,只能上一个台阶、两个台阶,而不能上半个台阶。所以对于统计人数来说,一个人就是一个量子。对于上台阶来说,一个台阶就是一个量子。

上台阶

按照同样的道理,电子最初是在阴极射线中发现的,电子就是阴极射线的量子。同样的,光子是光的量子。一束光至少也要有一个光子,否则就没有光了。

磁场使带负电的阴极射线偏转

这些例子是物质组成的量子化。还有一类,是物理量的量子化。

例如氢原子中只有一个电子,这个电子的能量最低等于-13.6 eV(eV 是一种能量单位,叫做“电子伏特”)。电子的能量也可以高于这个最低值,但不能取任意的值,而只能取一个个台阶的值。这些台阶分别是最低值的1/4、1/9、1/16 等等,总之就是-13.6 eV除以某个自然数的平方。在这些台阶之间的值,例如-10 eV、-5 eV,是不可能出现的。

氢原子能级

不只是氢原子,在每一种原子和分子中,电子的能量都是量子化的。不只是能量,还有电荷、磁矩、角动量等许多性质,也是量子化的。

物质组成的量子化和物理量的量子化,都说明量子化是微观世界的本质特征。这就是“量子力学”(quantum mechanics)这个词的由来,它是描述微观世界的基础理论。在量子力学出现后,人们就把传统的牛顿力学称为“经典力学”(classical mechanics)。如果对一个微观现象,量子力学和经典力学给出不同的描述,那么量子力学一定是对的,经典力学一定是错的。

在普通民众听起来,量子力学似乎很新奇。但物理和化学专业的人都知道,量子力学是个很古老的理论,——已经超过一个世纪了!

量子力学的起源是在1900年,由德国科学家普朗克(Max Planck)提出。

普朗克

此后,爱因斯坦(Albert Einstein)、玻尔(Niels Henrik David Bohr)、德布罗意(Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie)、海森堡(Werner Karl Heisenberg)、薛定谔(Erwin Schrödinger)、狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)、泡利(Wolfgang Pauli)、玻恩(Max Born)等人都做出了很大的贡献,这些人都因此得到了诺贝尔奖。是的,爱因斯坦得诺贝尔奖是因为量子力学,而不是因为相对论!


 诺贝尔奖网站上爱因斯坦的获奖原因(https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1921/einstein/facts/):“由于他对理论物理的贡献,尤其是发现了光电效应的规律。”这指的就是提出光子概念

1930年代,量子力学的理论大厦已经基本建立起来,能够对微观世界的大部分现象做出定量描述了。科学界公认,量子力学和相对论是现代物理学的两大基础理论。

下一个常见的问题是:量子力学能用来干什么?

实际上,也许更合适的问题是:量子力学不能用来干什么?因为量子力学的用处实在是太广泛了,几乎找不到跟它没有关系的。

基本的道理是:描述微观世界必须用量子力学,而宏观物质的性质又是由微观结构决定的。因此,不仅研究原子、分子、激光这些微观对象时必须用量子力学,而且研究物质的硬度、导电性、导热性、晶体结构、相变等宏观性质时也必须用量子力学。

许多最基本的问题,是量子力学出现后才能回答的。例如:

为什么原子能保持稳定?也就是说,为什么原子中的电子不会落到原子核上?

因为原子中电子的能量是量子化的,有个最低值。如果电子落到原子核上,能量就变成负无穷,低于这个值了,所以它不能掉下去。

原子模型

为什么原子能形成分子,例如两个氢原子H结合成一个氢气分子H2

因为分子的能量也是量子化的。氢气分子的能量低于两个氢原子的能量之和,所以形成分子是有利的。

为什么物质会有硬度?也就是说,为什么原子靠得太近时会互相排斥,而不会摞到一块去?

因为有一条基本原理叫做泡利不相容原理,说的是两个费米子不能处于同一个状态。费米子是一类粒子的统称,电子就属于费米子。这条原理决定了,当两个原子靠得太近时,就会产生一种强烈的排斥,阻止两个电子落到相同的状态。

泡利

为什么有些物质能导电,例如铜和铝?为什么有些物质不导电,例如木头和塑料?为什么又有些物质是半导体,例如硅和锗?为什么还有些物质是超导体,例如低温下的水银?

这些关于导电性的问题,在量子力学出现之前是无法回答的。人们只能含混地说,一种物质导电是因为它有自由电子,另一种物质不导电是因为它没有自由电子。但为什么电子在这种物质中就自由,在那种物质中就不自由呢?这就完全说不清了。

在量子力学出现以后,人们就发展出了一套理论,可以明确地解释和预测哪些物质会导电,哪些物质不导电。这叫做“能带理论”(energy band theory)。在这个意义上,所有的电器都用到了量子力学!

能带理论

量子力学不但能用来解释自然界已有的现象,还能用来发明自然界没有的现象。例如,激光器和发光二极管都是根据量子力学的原理设计出来的。

《星球大战》中的光剑

所以我们可以明白,现代社会几乎所有的技术成就,都离不开量子力学。你打开一个电器,导电性是由量子力学解释的,电源、芯片、存储器、显示器等器件的工作原理都来自量子力学。你走进一个房间,钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶等材料的性质都是基于量子力学的。你登上飞机、汽车、轮船,发动机中燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。你研制新的化学工艺、新材料、新药等等,都离不开量子力学。

下一个问题是:既然量子力学完全不是个新学科,出现已经超过一个世纪了,为什么最近在媒体上变得如此火热?

回答是:1980年代以来,量子力学与信息科学交叉,产生了一门新的学科——量子信息(quantum information)。许多物理学家把量子信息的兴起称为“第二次量子革命”,跟量子力学创立时的“第一次量子革命”相对。

量子信息的大发展,把量子变成了舆论热词。在科学界内部,其实很少用“量子科技”这个说法。因为如前所述,现代社会的所有技术成果都离不开量子力学,哪里有不“量子”的科技呢?所以媒体上说的“量子科技”,其实主要指的就是量子信息。

量子力学和信息科学为什么可以交叉起来?因为对于信息科学来说,量子力学是一种可供利用的新的框架。利用量子力学的特性,可以实现传统信息科学中实现不了的功能。

两个非常有戏剧性的例子,就是永远不会被数学破解的保密方法(即“量子密码术”,quantum cryptography)以及科幻电影中的“传送术”。是的,传送术在原理上是可以实现的!它的专业名称叫做“量子隐形传态”(quantum teleportation)。

《星际迷航》中的传送术

具体而言,信息科学包括通信和计算两大块。大家平时用的手机属于通信,计算机属于计算。相应的,量子信息的研究内容也可以分为两大块:量子通信(quantum communication)和量子计算(quantum computing)。

 

量子信息学科内容

在量子通信和量子计算内部,各自又有若干种具体的应用。前面说的量子密码术和量子隐形传态都属于量子通信,而量子计算中的应用包括量子因数分解(quantum factorization)与量子搜索(quantum search)等等。

后面我会向大家介绍这些应用。但首先我需要向大家讲解量子力学的原理,这样大家才能理解量子信息为什么能达到这些神奇的效果。我们下回分解。



责任编辑:杨玉露

文章来源:风云之声微信公众号