量子力学超光速的幽灵粒子，闪烁在下一轮科技革命前夜

　　自然和自然的法则在黑夜中隐藏；
　　上帝说，让牛顿去吧！
　　于是一切都被照亮。
　　——英国诗人 蒲柏
　　欢迎来到量子科技的奇幻世界！
　　量子计算仅需花费200秒即可完成当今最强大的超级计算机需要花费上万年才能完成的计算能力；量子加密可以瞬间摧毁全球加密防御体系，让黑客永远失业；无论相距多远，量子通讯可以让卫星以及登陆其他星球的探测器与地球保持零延迟数据传输……
　　正所谓：遇事不决、量子力学；解释不通、穿越时空。
　　那么，何为量子？量子力学有何神奇特性，有哪些颠覆性创新应用？接下来，＂ 未来半导体＂ 将为您逐一揭晓。
　　·  带有 SpaceX 星链互联网卫星系统的太阳能增程器拖车。太阳能电池将光转化为电流，这一过程称为光伏效应。只有当光以光量子的形式出现时才能解释这种效应——这是量子力学的基石。图源：Tesla
　　· 使用光子和电子自旋量子比特，研究人员展示了用于核磁共振的原子尺度传感，并通过控制核自旋，创造出比以前使用的电子自旋量子比特具有更长相干时间的核量子比特。图源：普渡大学 违背经典力学规律的量子力学
　　物理学家已通过教科书告诉我们，将遵从经典运动规律（牛顿力学，电磁场理论）的那些物质所构成的世界称为＂经典世界＂，将遵从量子力学规律的那类物质所构成的世界称为＂量子世界＂。人类对物质世界探索过程中，微观世界和人类世界，在尺度上相差超过10^15个数量级；如此巨大的差异，注定了微观、宏观存在本质的不同。
　　如果我们观察水，我们可以很容易地观察到物质的自发变化特性：在 100 摄氏度时它会蒸发成气体，在 0 摄氏度时它会冻结成冰。在这两种情况下，这些新的物质状态都是水分子重新排列自身的相变的结果，从而改变了物质的特性。诸如磁性或超导性之类的特性是由于电子在晶体中经历相变而出现的。对于在 -273.15 摄氏度时接近绝对零的温度下的相变，量子开始产生纠缠现象，量子力学效应开始发挥作用。
　　量子 （quantum）就是量子世界中光、物质和能量离散客体的总称，即是最小的、不可再分割的能量单位。它既可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子，也可以是BEC、超导体等宏观尺度下的量子系统。
　　量子科技是一门新兴的物理和工程领域，它的原理是基于如 量子纠缠、量子叠加 和 量子隧穿 这＂毁三观＂的量子力学特性， 应用在如量子计算、量子测量、量子通讯、量子传感器、量子密码学 、量子模拟和量子成像等领域。
　　量子力学被爱因斯坦和玻尔用＂上帝跟宇宙玩掷骰子＂来形容的学科，它带来了许许多多令人震惊不已的结论：相距千里的两个粒子可以瞬间联系（量子纠缠）；电子的行为同时带有波和粒子的双重特征（波粒二象性）；不确定的光子可以同时去向两个方向（海森堡测不准原理）……以至于爱因斯坦不得不感叹道：＂量子力学越是取得成功，它自身就越显得荒诞。＂
　　· 双缝实验中出现的干涉图案 图源：sciencefocus
　　量子力学听起来高深莫测，却不是新近出现的新学科领域。1900年德国物理学家M·普朗克提出＂量子＂概念，经爱因斯坦、玻尔、薛定谔等一批年轻的天才物理学家完善，在20世纪的上半页初步建立了完整的量子力学理论。科学家发现，微观粒子有着与宏观世界的物理客体完全不同的特性。
　　宏观世界的物理客体，要么是粒子，要么是波动，它们遵从经典物理学的运动规律，而微观世界的所有粒子却同时具有粒子性和波动性，它们显然不遵从经典物理学的运动规律。但是，近百年来，凡是量子力学预言的都被实验所证实，人们公认，量子力学是人类迄今最成功的理论。
　　量子力学在公众的眼中就像薛定谔那只＂又死又活＂的猫，玄之又玄，让人迷之又迷。
　　量子纠缠
　　量子纠缠 （Quantum entanglement），构成量子加密通信和量子计算的核心原理。两个纠缠的栗子，一个近在眼前，一个远在天边，当其中一个被测量，另一个瞬间便会感知，完成相应的状态改变，而且反应速度是超光速的。
　　打个比方，比如遗传基因，亲人之间有什么变化都能感应出来；有心灵感应的双胞胎一样，或哭或笑，都会有同样的反应。但似乎这与距离没有关系，有的人距离再近都感觉不到，但有的人关山万里就能感知。易经上讲＂寂然不动，感而遂通＂，就是这个道理。所以只要测定了其中一个的状态，另一个的状态也会相应确定。
　　· 采取超薄玻璃片的超表面，上面覆盖着由半导体材料砷化镓制成的纳米结构。当激光穿过超表面时，一些从另一侧出来的光子会以纠缠对的形式出现。图源：桑迪亚国家实验室和马克斯-普朗克研究所
　　1964 年，物理学家约翰·贝尔假设，即使粒子相距甚远，这种变化也可以被诱导并立即发生。贝尔定理被认为是现代物理学中的一个重要思想，但它与其他公认的物理学原理相冲突。例如，阿尔伯特·爱因斯坦在贝尔提出他的定理之前数年就证明了信息的传播速度不能超过光速。迷惑不解的爱因斯坦将这种纠缠现象描述为＂幽灵般的远距离动作＂。但是量子力学发展到今天，一代又一代的物理学家和科学家实验一再证实，无论距离多远，纠缠的粒子确实存在牢不可破的相关性影响。
　　当研究人员研究纠缠时，他们经常使用一种特殊的晶体从一个晶体中生成两个纠缠粒子。然后将纠缠的粒子发送到不同的位置。对于这个例子，假设研究人员想要测量粒子旋转的方向，它可以沿着给定的轴向上或向下。在测量粒子之前，每个粒子都会处于叠加状态，或者同时＂向上旋转＂和＂向下旋转＂。
　　如果研究人员测量一个粒子的自旋方向，然后在其遥远的纠缠伙伴上重复测量，那么研究人员总是会发现这对粒子是相关的：如果一个粒子的自旋向上，另一个粒子的自旋将向下（自旋可能相反两者都上升或都下降，具体取决于实验的设计方式，但总会存在相关性）。特别的是，假设沿着两个不同方向分别测量两个粒子的自旋，则会发现结果违反贝尔不等式；除此以外，还会出现貌似佯谬般的现象：当对其中一个粒子做测量，另外一个粒子似乎知道测量动作的发生与结果。这纠缠的美妙之处在于，只要知道一个粒子的状态，就会自动告诉你一些关于它的同伴的信息，即使它们相距数十亿光年之遥。
　　量子纠缠最广泛使用的应用可能是密码学。发送者和接收者建立了一个安全的通信链路，其中包括一对纠缠粒子。发送者和接收者使用纠缠粒子生成只有他们自己知道的私钥，他们可以使用这些私钥对他们的消息进行编码。如果有人截获信号并试图读取私钥，纠缠就会中断，因为测量纠缠粒子会改变其状态。这意味着发送者和接收者将知道他们的通信已受到损害。
　　纠缠的另一个应用是量子计算，其中大量粒子被纠缠在一起，从而使它们能够协同工作以解决一些大而复杂的问题。例如，只有 10 个量子位的量子计算机可以表示与 2^10 个传统位相同的内存量。
　　量子隧穿
　　量子隧穿 （Quantum tunneling），又称隧穿效应、势垒贯穿，是量子的一种特性，指微观粒子可以穿越大于自身总能量的势垒的量子行为。类似能够穿过它们本来无法通过的＂墙壁＂的现象。
　　量子隧穿效应，无法用经典力学的观点来解释。在牛顿力学体系下，因为在没有外力的作用下，一个小球不可能穿过墙壁，它会弹回来。然而在某些特定条件下，像原子、电子和其他量子尺度的粒子可以穿越不可逾越的障碍，像幽灵一样穿＂墙＂而过。
　　· 图源：byjus
　　量子隧穿被定义为一种量子力学过程，其中波函数可以穿透势垒。通过势垒的传输可以是有限的并且成倍地依赖于势垒宽度和势垒高度。波函数具有在一侧消失并在另一侧重新出现的真实概率。波函数的一阶导数是连续的。在稳态情况下，前向轨迹中的概率通量在空间上是均匀的。没有波或粒子被消除。隧穿发生在厚度约为 1-3 nm 或更小的势垒上。据预测，量子隧穿将对微电子中使用的晶体管的尺寸造成物理限制。这是由于电子能够隧穿太小的晶体管。
　　隧穿效应可以通过海森堡测不准原理的概念来理解。换句话说，电磁粒子精确位置的不确定性使得这些粒子能够打破经典物理定律并在空间中传播而不会越过势能边界。隧穿原理和不确定性原理是相互兼容的，因为它们将量子体同时视为波和粒子。
　　· 电子波包通过一处能垒。在经典力学中，这处能垒是无法被克服的，整个电子波包会被反射回来。在量子力学中，得益于量子隧道的存在，一小部分电子波包可以通过这处能垒。请注意右侧的微弱光团。图源：Nature
　　屏障似乎也是加速量子隧穿的捷径。1962 年，德州仪器 (TI) 的一位名叫 Thomas Hartman 的半导体工程师写了一篇论文，明确一个震惊的现象：当一个粒子穿过隧道时，在具有足够厚的屏障的情况下，粒子可以比在相同距离内穿过空间的光线更快地从一侧穿到另一侧。也就是说，当有粒子发生量子隧穿时，与没有障碍物的情况相比，花费的时间更少。
　　量子隧穿似乎比光速更快，粒子穿越障碍物的能力为物理学家解决了许多谜团。它解释了各种化学键和放射性衰变，以及太阳中的氢核如何克服它们之间的排斥并融合，从而生产足够的光和热，使地球上的生命成为可能。促成了量子计算、隧道二极管、扫描隧道显微镜、核聚变、超大规模集成 (VLSI) 、量子生物学的应用。
　　量子叠加
　　量子叠加 （Quantum superposition），就是一个量子同时存在于不同的地方或者存在不同的状态。它指出，就像经典物理学中的波一样，任何两个（或更多）量子态都可以加叠在一起，结果将是另一个有效的量子态；相反，每个量子态都可以表示为两个或多个其他不同状态的总和。量子计算就是巧妙地操纵量子叠加态，用量子力学原理作为计算逻辑，超出了经典计算使用的布尔代数的范畴。
　　电子具有称为自旋的量子特征，这是一种固有角动量。在存在磁场的情况下，电子可能以两种可能的自旋状态存在，通常称为自旋向上和自旋向下。在被测量之前，每个电子都将有有限的机会处于任一状态。只有在测量时才能观察到它处于特定的自旋状态。
　　· 平行宇宙 图源：Pixabay
　　另外一层含义，是当我们在一堆量子里观察一个量子的时候，往往观察到的不是一个量子的状态，而是多个量子的叠加态。当然，这也就另一个概念——平行宇宙理论。传统的观点普遍认为，宇宙是不会发生变化且唯一存在的。但量子力学指出了存在着更多不同的宇宙可能性。
　　回到薛定谔猫这个实验，根据经典物理学，必须在盒子打开后才知猫到底是死是活，在量子的世界里，当盒子处于关闭状态、不确定性的波态，即猫生死叠加。多世界诠释认为，其实这种共存状态并没有被打破，而是创造出了一个平行宇宙，每一个宇宙中，这个量子都有一个确定的状态，人类只是处于其中一个特定的宇宙中观察到了这个量子的状态。但佛学说＂三界唯心，万法唯识＂，我们的感觉似乎是唯一确定的东西。
　　量子力学在科学界的应用非常广泛，量子系统的奇异行为更激发了人们对它们如何在大脑工作中发挥作用的猜测。我们的意识或者说＂灵魂＂，说白了就是和量子力学一样的体系，它们都具有＂多线处理＂、＂叠加＂、＂纠缠＂的属性。
　　2020年诺贝尔物理学奖得主彭罗斯提出＂量子灵魂理论＂，彭罗斯认为人类甚至包含其他生命体之所以会产生＂意识活动＂，是由于神经元组织内部有类似于＂量子计算机＂一样的＂微管构造＂。人类意识（或称灵魂）的产生本质上是＂量子力学的物理反应＂。彭罗斯通过对人脑神经元的研究，认为这种＂逻辑分析＂就是建立在＂量子叠加态＂的基础上。同时，彭罗斯认为意识本身也不会＂消亡＂，人死后灵魂离开肉体，以某种形式转移到另一个地方。
　　· 一些科学家揭示死后的生命：灵魂在量子水平上继续存在。图源：盖蒂图片社
　　美国知名生物学家兰昆提出了系统的生物中心论，称生命与生物是真实世界的中心，人在心跳停止、血液流动停止，即物质元素处于停顿状态时，意识仍可运动，它在肉体活动外，还有其他＂量子信息＂的痕迹——所谓的＂灵魂＂。当下发生的每件事情，在平行宇宙中也同时进行，也就是另外一边的对等意识也会受到影响，即所谓跨＂世界＂量子纠缠或意识纠缠。
　　但现在科学研究仍未确定量子与灵魂、意识的关系，但也不能否定这种关系的存在。量子力学本身就是＂神秘莫测＂的科学。
　　＂我可以很确定的告诉大家：没有人真正了解量子力学。＂狄拉克说。
　　二次量子科技革命开启
　　量子理论诞生一百多年来，国际学界运用多种实验和数学方法检验均发现，量子的奇妙特性客观存在。量子理论的出现，引发了上个世纪第一次量子革命，并催生包括激光器、晶体管（微芯片）、激光二极管和发光二极管、电子显微镜、磁共振成像 (MRI)、全球定位系统 (GPS) 和计算机的工业化应用。
　　＂第二次量子革命的战鼓已敲响！＂英国《自然》杂志评论说。进入21世纪，量子的新发现、新理论、新技术密集涌现，预示着第二次量子革命已进入加速期、起跑期。
　　＂第一次量子革命，人们只问量子理论能让我们做什么，不去问为什么，是被动的观测与应用。＂中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿说，第二次量子革命则是主动利用量子特性，开发出量子通信、量子计算和量子精密测量等创新应用。
　　例如，量子通信是迄今为止唯一通过数学方式被严格证明的绝对安全的通信方式。由于量子具有不可再分、不可复制的特性，一旦传输中受到拦截或干扰，接收方就可以迅速发现。也就是说，量子通信还有＂反窃听＂的功能。如果有人窃听，信息就被偷听动作改变了，从而可以保证内容的绝密。中国潜艇试验量子通信的成功验证了量子在反窃听工作上可以保证密不透风。业内人士预测，考虑长期在金融、国防、政府等领域的广泛应用，在推动量子通信向前时，也需利用量子来弥补中国先进芯片的短板。
　　大量科学实验证明，量子计算可以令人类的运算能力实现指数级增长，比如分解300位和5000位的数字，量子算法会把所需时间从15万年减到不足1秒钟，从50亿年减到2分钟！传统测量技术最小只能探测到微米量级，而量子测量可以进一步精细千倍、万倍达到原子量级。作为一种高度安全的信息传输形式，量子通讯被证明跨星系信号传输或者与外星人交流的可能性。
　　放眼未来，量子计算有望为生物医疗、能源勘探、金融分析、气象预报等大规模计算提供全新的技术支撑；量子测量发挥精确灵敏的优势，将在科研、医疗、能源、灾害预防等领域一展才华；量子通信融合量子计算和加密技术，构成高速、安全的＂量子互联网＂，与人工智能、智能驾驶、军工、太空探索等技术融合，可为未来世界增添无限可能。
　　量子技术将是下一轮信息技术的核心，大国角逐的前夜哨声已经吹响！关于量子科技的重大与前沿应用，请关注下一篇文章：
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