专家讲述

量子的星光大道

量子信息理论与技术专家、国防科技大学陈平形教授为您讲述

◎它的出现，直接颠覆了牛顿等科学家建立起来的经典物理观。

◎它的身上隐藏着无穷的奥秘，每一次发现都能产生变革性影响。

◎近百年来的诺贝尔物理学奖获得者，多半与它息息相关。

量子是最小的、不可再分割的能量单位。相对于宏观物理世界，量子有很多神奇特性，最有代表性的当属量子“叠加”与量子“纠缠”。前者意味着量子可以同时处于不同的状态，而且可以处于这些状态的叠加态；后者则意味着相互独立的粒子可以完全“纠缠”在一起，无论相隔多么遥远，当一个量子的状态发生变化时，另一个就会“心灵感应”般地发生相应变化。

量子，究竟有何神奇之处？现在就让我们来揭开它的神秘面纱。

量子自述：认识我需要勇气

有人说，没有假说就没有科学。我觉得这句话太对了。我的名字就源于一个著名的假说。

我出生于1900年12月14日。那一天，我的伯乐——德国物理学家普朗克提出一个假设：量子是光场能量的最小单元，原子吸收或发射能量是一份一份进行的。

或者，你可以这样来理解我：原子吸收辐射，可以说是原子“吃”辐射，它不是像喝牛奶那样，一口一口地“喝”，而是像吃米粒一样，一粒一粒地“吃”，每个米粒就是食物的最小单位。我，就是那个能量“米粒”。

要知道，这是一个惊世骇俗的假说。一直以来，我们的物质状态被认为是连续的、确定的。但我的诞生让传统意义上的状态连续性丧失了，直接颠覆了牛顿等科学家建立起来的经典物理观。

随着我的不断成长，各种石破天惊的观点横空出世。波粒二象性构成了量子性质的核心。它与概率解释共同“摧毁”了经典世界的确定性，互补原理和不确定原理又合力捣毁了世界的客观性和实在性。总之，在我的视线里，这个世界再也不是确定的世界。

怎么样，是不是觉得我越说你越困惑？这就对了，在这个问题上，爱因斯坦和你是一个处境。我的另一个伯乐、量子论的奠基人之一——玻尔曾经感慨地说：“如果谁不为量子论感到困惑，那他就没有理解量子论。”

认识我需要勇气。在我的成长道路上，一直伴随着争议和论战。20世纪最著名的物理学家几乎全部卷入其中，他们忽而革命，忽而保守，忽而发现我、提携我，忽而嘲讽我、怀疑我，但最终，多数人选择承认我、接受我。

今天，尽管我已经100多岁了，并已经爆发出巨大能量，但科学家们认为我尚未进入“青春期”。原因很简单，关于我的很多问题，至今仍然难以回答。

我的未来，期待更多伯乐。

非典型明星的发现之旅

在经典物理殿堂里，这些明星光彩四射：牛顿力学体系神圣不可侵犯；麦克斯韦方程被誉为上帝谱写的诗歌；爱因斯坦相对论的光芒稍经发掘后便立即照亮了整个时代。

与它们比起来，量子论绝对是物理学界的非典型明星。在量子论身上没有天才的个人标签，是整整一代精英共同成就了它的荣光。

在量子的星光大道上，镌刻着物理史上最伟大的名字：普朗克、玻尔、爱因斯坦、德布罗意、海森堡、薛定谔、波恩、泡利、狄拉克……

这是一个非典型明星的发现之旅。

起先，它的幽灵从普朗克的假设中游荡出来，并不引人瞩目。但很快，科学家们便感受到了它的电闪雷鸣。它所带来的震撼力和冲击力是如此巨大，以至于它的成长史上遍布这样一个怪圈：科学巨匠们参与了推动它的工作，却因为不能接受它惊世骇俗的解释而纷纷站到了保守一方。

1900年，被黑体辐射实验困扰了多年的普朗克，虽然以量子假说摆脱了困扰，并于八年后获得诺贝尔物理学奖，但他此后很长一段时间都踌躇不前，不敢承认量子的现实。

你能想到吗？以相对论闻名于世的爱因斯坦获得诺贝尔奖，不是因为相对论，而是因为他在1905年提出光量子概念，并解释了光电效应。然而，爱因斯坦此后一生都在对量子论提出种种质疑。

紧接着，薛定谔率先沿着物质波概念成功确立了量子波动方程，为量子理论找到了一个基本公式。但最终，薛定谔也加入到保守和质疑的阵容……

坚定的支持者并非没有。以玻尔、海森堡为代表的哥本哈根学派，提出“波粒二象性”设想，打破了经典世界里物质波与粒的泾渭分明。按照这个设想，处于所谓“叠加态”的微观粒子的状态是不确定的。

“不确定性”成了量子论的一个基础，也撼动了经典物理学大厦下的坚固基石。对此深深质疑的爱因斯坦抛出了一句世人皆知的话：“上帝是不掷骰子的！”

玻尔反击的话同样有名：“你没法告诉上帝该做什么！”

量子就这样在同它自身创建者的斗争中成长起来。接下来的半个多世纪中，物理学家们一直都忙着弄清爱因斯坦和玻尔究竟谁对谁错。物理学主流观点认为，从20世纪80年代到现在的无数次实验，都证明了正统的量子理论是对的，而不支持爱因斯坦。

欢迎来到量子世纪

也许，量子最耀眼的时刻还未到来，但毕竟这位非典型明星走上了它的星光大道。

检索近百年的诺贝尔物理学奖获得者名单，他们多半都和量子力学研究有关。此外，量子力学还积极地促进了生物学、数学、信息科学、化学、核物理学，甚至心理学、哲学的发展。

放眼我们日常生活的每一个角落，从半导体到核能，从激光到电子显微镜，从集成电路到分子生物学，量子论无疑成为有史以来在实用中最成功的物理理论。

科学家们深信，最激动人心的时刻还在后面。我们已经走过机械世纪、进入信息世纪，现在，欢迎来到量子世纪。

量子世纪的图景将会是什么样的？我们或许可以从目前世界各国争相角逐的制高点——量子信息领域窥出部分答案。

种种迹象表明，在这个领域，一些重要的科学问题和关键核心技术已经呈现出革命性突破的先兆。

这些突破意味着什么？

摩尔定律认为，计算机芯片上可以容纳的晶体管数量每隔18个月就会翻一番。芯片自20世纪50年代末发明以来，其集成度已提高了5千多万倍，特征尺寸则缩小到一根头发丝直径的万分之一，几乎达到了极限。

这样，计算机芯片将不可避免地进入微观的量子世界，传统计算机的物理基础将失效。量子信息领域的相关研究，不仅有助于突破摩尔定律的限制，还将在量子通信、量子计算、量子成像、量子精密测量等领域带来全新体验。

●　研发无法破译的量子密码。根据量子的测不准原理，一旦你试图截获并破译量子密码，就意味着对量子态的测量，测量意味着干扰，量子瞬间就改变了原来的状态。

●　研制量子计算机。根据量子的不确定性，量子计算机的每一个量子比特的状态既可以是1或0，也可以同时是1和0，即所谓1和0的叠加状态。随着量子比特数目的增加，这种被叠加的状态数目指数随之增加，这就给超并行计算能力带来可能。

●　实现量子成像。根据量子纠缠特性，两个有共同来源的微观粒子之间存在着某种纠缠关系，纠缠使得这两个粒子高度关联。当用纠缠的光子作为光源实现成像时，成像的分辨率和抗干扰性大为增强。

小粒子撬动军事变革

量子对战争的影响究竟有多大？

原子弹的威力已经广为人知，但你可知道，量子论对原子弹的研制成功起到了重要的作用。因为它揭示了质量也是一种能量的表象，质量亏损可以释放大量能量，而后又发现了链式反应，这就为原子弹研制提供了依据和理论支持。

1948年，美国科学家根据量子理论发明了晶体管，从而开创了全新的电子信息科技时代。1991年海湾战争爆发，正是凭借电子信息科技的优势，美国拉开了世界新军事变革的序幕，并长期扮演领跑角色。

翻阅当下的军事新闻，量子正在成为频度很高的热词——

美国研究人员通过光子的量子特征研制出可探测隐身飞机的技术；英国正在研究的一项潜艇量子通信技术，或将彻底改变目前潜艇的通信方式；加拿大的D-Wave公司声称能生产解决特殊难题的量子计算机……

正如恩格斯所言：“一旦技术上的进步可以用于军事目的并且已经用于军事目的，它们便立刻几乎强制地，而且往往是违反指挥官的意志而引起作战方式上的改变甚至变革。”现在，量子这个微观世界的小粒子，又站到了撬动宏观世界军事变革的机遇之门前。

当前，以美国为代表的世界主要军事强国高度关注量子科技发展动向，主要涉及量子通信和量子密钥、量子计算、量子成像及量子精密测量等领域。

量子信息科技到底将会把战争引向何方，或许目前还不能下定论。但回眸科技驱动的千古战史，一支军队绝不能对未来的任何可能掉以轻心。因为军事家杜黑早就指出：“胜利只向那些能预见战争特性变化的人微笑，而不是向那些等待变化发生才去适应的人微笑。”