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    首都科學講堂第674期《改變世界的量子科技》

    信息來源:北京科學中心      發布時間:2020-12-06

      2020年12月5日,首都科學講堂線上開講,本次首都科學講堂邀請了北京量子信息科學研究院研究員,低維量子材料團隊負責人常凱,為大家帶來題為《改變世界的量子科技》的精彩講座。

      

      改變世界的量子科技

      中央政治局集體學習,將高深的量子科技帶進大眾視野。近年來,量子科技發展突飛猛進,成為新一輪科技革命和產業變革的前沿領域。加快發展量子科技,對促進高質量發展、保障國家安全具有非常重要的作用。那么,量子究竟是什么?量子態為什么一觀測就坍塌?量子科技誕生120年來,兩次量子技術革命給世界帶來了怎樣的影響?

      第一講 什么是量子?

      很多人心中可能會有這樣一個問題:量子到底是什么東西?在這里我可以給出一個我覺得相對來說比較好理解的定義——“量子”是微觀世界中物質的運動形式。

      這個定義中有兩個關鍵概念。第一是“微觀世界”。所謂微觀世界,肯定是非常小的世界,那么多小的世界才算是微觀世界呢?比如說我們大腸里的大腸桿菌,只有1微米,也就是千分之一毫米;再比如說新冠病毒,它的大小是100納米,也就是萬分之一毫米,這兩個當然算是小的了,但卻還不是量子意義上的“小”。量子力學意義下的微觀世界是指“相當于原子直徑的大小”,也就是千萬分之一毫米的尺度。只有在這種微觀尺度下的世界,量子力學才可以發揮作用。

      另一個關鍵概念叫作“運動形式”。舉個例子,地球是繞著太陽轉的,那么地球的這個圓周運動就是地球的一種運動形式。再比如說撥動弦樂器時,琴弦會往復地振動,這個振動就是琴弦的運動形式。所謂量子的運動形式其實也就是這個樣子,只是它要更加復雜,更加反我們的直覺一些。

      在量子時代的前夜,物理學界有兩大發現,其一是發現了原子和電子,19世紀末時,人們認為原子的結構是“棗糕模型”,電子就像是一些棗子一樣散布在這個蛋糕里面。其二是發現了光是電磁波。

      量子這個概念的發端,就是從一個發光問題來的。我們知道,打鐵時,各部位溫度從低到高的顏色依次是紅色、黃色、白色。這是因為溫度越高,發光波長越短,這個現象的學名叫做黑體輻射。

      然而到19世紀末時,人們發現一個很奇怪的現象:若是按照經典物理的“黑體輻射”推論,隨著發光波長越來越短,發光的強度是無限上升的,那么當波長無限小的時候,發光強度就會無限大。這樣的話,任何有限溫度的物體都可以輻射出無窮大的能量!然而這與現實情況不符合,一定是經典物理出了問題,但是問題出在哪兒卻沒人知道。所以大家只能把這個問題稱作“紫外災難”。

      到了1900年,普朗克提出一個假設,即電磁波必須以“整份”能量發射,不能發射“半份”,“一份能量”就被叫作一個“量子”。這就是量子的基本假設,即能量的取值要分離,變成一系列不連續的值。

      用這個假設就可以解釋“紫外災難”——普朗克提出一個常數叫“普朗克常數”,得出一個“量子”的能量=普朗克常數×頻率=普朗克常數×光速/波長,這樣一來,波長太短的電磁波發射“一份”所需的能量太多,所以實際上無法被發射出來,這就解釋了為什么在所謂黑體輻射問題里面,不能夠有無限大的紫外光。

      在量子概念誕生后的5年間,就取得了一個非常大的成果,那就是光電效應的解釋。通過研究發現,是否產生光電效應,與光強無關,只是與光的顏色有關。對于此,愛因斯坦認為,光波是不連續的,每一份光波是一個“光量子”。

      這就證明光有粒子的特性,而19世紀初的雙縫干涉實驗證明了光有波的特性,合在一起就叫做“波粒二象性”,這是光的本質特點。光何時表現粒子性,何時表現波動性,取決于我們的觀測方式。

      1924年,有一位叫德布羅意的科學家提出,如果光有“波粒二象性”,那么會不會所有的物質都有“波粒二象性”?那么怎樣才能看到物質的波動性?按照德布羅意猜想的公式,越輕越小的物質波動性越強,而20世紀初的時候,人們知道的最小的粒子是電子,所以人們自然就會想到用電子去做一個干涉實驗,看一下會發生什么。1927年,有三位科學家幾乎同時做了電子的干涉實驗,發現其結果與光的干涉實驗結果是非常類似的。因此人們發現,電子原來其實也是一種波。后來科學家們還做過各種各樣不同物質的雙縫干涉實驗,最終發現,眾多微觀世界中的物體都表現出波粒二象性。

      第二講 神奇的量子態

      20世紀初,盧瑟福曾提出一個原子模型:中間有一個原子核,電子繞著原子核不停地旋轉。隨著原子能的應用,這個模型后來變得廣為人知。但這個模型有一個問題,當電子回旋打轉的時候,它還會往外輻射電磁波,這就會帶走能量。時間一長,電子就慢慢地掉到原子核中去了,那整個物質就全部坍縮掉了。

      這個問題一開始是經典物理解釋不了的,直到尼爾斯·玻爾,這位量子力學的奠基人之一,給出了一個氫原子的量子模型。這個模型表明,由于電子波動性的影響,電子只能在某些分立的軌道上運動,而在這些軌道上運動的電子是穩定的,并不會逐漸損失能量,這就是電子軌道的量子化;微觀粒子所處的量子化狀態,稱為“量子態”;而電子云就是電子作為概率波的存在形式。

      水波,電磁波都好理解,那么概率波是什么在波動呢?這就要涉及到量子態作為概率波的一個非常神奇的性質:概率疊加。

      所有的波都有可疊加的性質,比如說錢塘江大潮中的“交叉潮”,就是兩列潮水沿垂直方向前進,互不干擾。當兩列波走到一起時,產生的形狀就是疊加的狀態,那么量子態其實也是一樣。我們將能穩定存在、可觀測的電子軌道,稱為“本征態”,用|1?、|2?、|3?表示,意味著兩條軌道的狀態是可以相互疊加的。這個疊加的意思就是如果一個原子處在|1?和|2?疊加的狀態,那么對其進行測量的話,有50%的概率會測到是|1?態,有50%的概率測到是|2?態。也就是說,如果對一個量子態進行測量,可以得出結果處于什么態,但是無法反推這個原子一開始處于什么態。

      那么能不能通過多次測量并統計結果的方式,以概率學來還原量子態的最初狀態呢?很遺憾,這也是不可能的。因為量子態還有另外一個特點:疊加態的坍縮。對于疊加態,測量等價于操作,測量結果是哪個本征態,量子態就會“坍縮”到哪個本征態,所以無法對單個量子態進行反復測量,從而反推初始態。

      最后,量子態還有一個非常神奇的特性,叫作量子糾纏。如果兩個原子間產生關聯,制備如下量子態,|11?+|22?,也就是說要么是A和B處在|1?態,要么是A和B處在|2?態。把這兩個原子分開,分多遠都行,只要分開的過程不要受到干擾就可以,然后我對原子A進行測量,那么有50%的概率測到原子A是處在|1?態。再測量原子B,100%概率也是|1?態。這是一個非常神奇的現象,也是量子力學的魅力。至于為什么會有量子糾纏,現在真的是說不清楚,但是這是我們經過了大量的實驗所總結出來的一個確實存在的現象。

      運用量子態的特性,可以進行許多有趣的實驗,比如著名的“薛定諤的貓”就是一個綜合運用量子態疊加、糾纏、坍縮性質的思想實驗。

      第三講 身邊的量子——第一次量子科技革命

      量子力學誕生之后,曾有過一場世紀之爭。通過前面兩個小節,不難發現,量子力學帶來的新世界觀沖擊著19世紀以來形成的哲學體系:世界的本質是概率的,而非決定論的;在觀測前,被觀測物的狀態是不確定的,通過觀測才能被確定;物理過程非定域的,相隔很遠的物體也可以通過量子糾纏瞬間發生相互作用。這些就是以波爾為代表的“哥本哈根詮釋”派的觀點。

      而反“哥本哈根詮釋”派的代表人物愛因斯坦認為,“上帝是不擲骰子的!”“難道當我不看月亮的時候,它就不存在了嗎?”量子糾纏是“鬼魅般的超距作用”!

      1935年,愛因斯坦、波多爾斯基、羅森共同發表論文,提出了“EPR佯謬”,在此基礎上發展出了隱變量理論。1964年,有一位叫做貝爾的工程師提出可以通過一個不等式來檢驗隱變量是不是真正存在。

      嚴格檢驗“隱變量”是否存在的數學標準是,在一個量子系統中,若四個概率之間有如下關系:

      

      則隱變量可能存在。否則,說明隱變量不存在,量子態的本質就是概率的。

      雖然以當時的實驗技術來說,人們無法真正用它來驗證理論的哲學爭辯,但這并不影響科學家們在量子理論的指導下做出新的發明創造,這就直接引發了從20世紀中葉開始的第一次量子科技革命。

      其中,最具代表性的事件就是1947年世界上第一個半導體晶體管的誕生。半導體的性質必須通過從量子力學導出的能帶理論才能夠解釋。接下來的幾十年間,半導體技術發展迅猛,從集成電路的誕生到英特爾第一個微處理器4004包含2250個晶體管,再到華為麒麟9000處理器153億個晶體管……可以說,半導體技術是信息時代的基礎。

      另外,在量子力學建立之后,人們才知道,原來磁性是一種宏觀量子現象。電子自旋產生磁矩,一個電子相當于一個小磁針,材料中大量電子磁矩沿同一方向排列,產生宏觀磁性。量子力學的原理決定了電子磁矩的分布。所以我們發明了像硬盤這樣能夠大量存儲數據的介質,也就奠定了大數據時代的物質基礎。

      除此之外,還有激光、核磁共振、超導等,都是第一次量子科技革命中所產生的革命性的應用,可以說量子科技在我們的生活中已經無處不在。

      前面提過,貝爾提出不等式后,還沒能真正做成裁判,這個局面到20世紀70年代終于被打破。1972年,S. J.弗里德曼和J. F.克勞澤進行了第一個貝爾不等式驗證實驗,結果支持量子力學。30多年來,眾多實驗結果均支持量子力學,而與隱變量理論不符。2015年,荷蘭代爾夫特理工大學R.韓森領導的小組進行了幾乎無漏洞的貝爾不等式驗證,基本宣告了隱變量理論的失敗。

      雖然愛因斯坦最終在這場世紀之辯中落敗,但他的思考啟發了后人,間接導致了貝爾不等式的產生,進而產生了基于貝爾不等式的“貝爾態”,從而為現代量子計算與量子通信打下了基礎。愛因斯坦的思考雖不正確,但絕不是毫無價值,科學研究不怕錯,只怕不思考、不實踐。

      第四講 未來的量子——第二次量子科技革命

      說完第一次量子科技革命,接下來講一講,未來的量子世界是什么樣子的,也就是第二次量子科技革命。

      打個比方,第一次量子科技革命就好像是我們買房子,可能沒有什么錢,也沒有多少選擇,所以主要關心戶型(量子態的類型)、樓層(量子態的能量),也就是利用天然存在的量子態,主要操控量子態的能量。而到第二次量子科技革命的時候,相當于買房子時有錢了,房源的選擇也多了,那么除了戶型、樓層之外,還要關心房子的朝向(量子態的相位)、邊戶還是中間戶(拓撲性質)、周邊環境(量子態與環境的糾纏)等,也就是要人工精準定制量子態,全面操控量子態的各種屬性。

      總的來說,第二次量子科技革命包括四大主要方面,即量子計算、量子通信、量子的精密測量,以及量子材料與物態。

      傳統計算機的集成電路是基于硅來做的,隨著集成電路里連線的粗細逼近原子直徑,傳統芯片受制于量子隧穿效應,發展遭遇瓶頸。一個根本性的解決辦法是尋求全新的計算機理,也就是量子計算。

      經典計算機的基本邏輯單元是比特,它是一個開關,只有兩種狀態,要么是開,要么是關,我們把這兩種狀態記作0或者1。在一個32比特的存儲器中,我們最多可以存儲一個9位的小數。

      而量子計算機的基本邏輯單元是量子比特,其狀態可以被近似地認為是一個球面。在這個球上有南極、北極,只有這兩個點對應的是我們經典比特里面的開和關,或者是0和1的那個狀態。而球上其他的所有點都是所謂的量子疊加的狀態,就是0和1量子疊加的狀態。那么一個量子比特它可以處在0和1疊加,就是a|0?+b|1?,我們看到一個量子比特就可以存兩個數,兩個量子比特就可以處在|00?|01?|10?|11?這4種疊加狀態的糾纏中,其中可以存四個數。依此類推,N個量子比特就可以存儲2N個數。按照這個規律發展下去,50個量子比特的容量就相當于目前最大的超級計算機,300個量子比特的容量就相當于宇宙中所有原子的數量,所以說量子計算的處理潛力是幾乎無窮無盡,讓人難以想象的。

      量子計算的應用范圍極為廣闊,如有望破解目前銀行普遍使用的RSA加密等,它就像尖銳的矛,可以穿透傳統的各種保密系統。那么量子計算成熟以后,我們要怎么樣保護我們的信息?這就需要量子通信出場了。量子通信的核心就是保密,所以也被叫作量子保密通信。

      傳統保密的方式就是用密碼,這就會造成一個問題:如果密鑰被人拿到了,只要這個密鑰還沒有過期,別人就可以肆無忌憚地去讀取這些保密的信息。而量子通信不是用數學的方法,它是直接從物理的層面杜絕竊聽的發生。

      量子通信利用對光子偏振特性的調控和測量實現,如果通信中途有人竊聽,光子偏振的方向就有可能發生改變,如果發送方和接收方的密鑰不能對比上,就說明有人竊聽,通信就要終止。通過這種方法,可以實現完全防竊聽。

      接下來講一下量子精密測量,這個可以分為兩大方面:計量和測量。計量就是要精確地定義各種物理單位,如怎么樣算一米,怎么樣算一秒。測量就是測量一個具體物體的物理屬性,如它是多少米、多少秒。

      傳統的計量單位定義依賴特定物體,難以保證精度與穩定性,因為儀器只要使用了就會有磨損,會不準確。直到20世紀下半葉,人們漸漸把計量單位量子化。例如把“米”的定義改成“真空中的光在1/299792458秒內的行程”,這樣就不依賴個別物體,具有高準確性、重復性。

      有了計量單位的定義,下一步就要去做測量。量子精密測量的范圍就更加廣泛了,比如說時間測量,有原子鐘,可以做到每300億年差1秒(10-18),角度測量有原子陀螺儀,潛艇定位每月誤差1米等。

      最后,量子材料與物態領域有許多有趣的方向,如拓撲量子材料、新型超導材料、低維材料等,也都有著廣闊的應用前景。舉例來說,新型超導材料可以應用在無損輸電、磁懸浮、超導量子計算、超導磁探測、產生超強磁場等方面;低維材料的未來目標是電子學性能能夠超越硅器件,從而應用于各種量子技術中。

       

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