解開時間與空間之謎的鑰匙：上帝擲色子嗎？

目錄

• 前言
• 一. 軌跡註定的量子與普朗克定律
• 二. 愛因斯坦的自拷：月亮是否在我閉上眼睛的時候消失？
• 三. 波粒二象性引發的爭論：上帝是否擲色子？
• 四. 量子糾纏的發現：瞬間移動成為並非不可能的事情？
• 五. 量子計算機：後摩爾時代的解決方案？
• 五. 量子通信技術：超過光速的通信密匙
• 後續. 量子革命，Or Not?

最近一則國外一家叫做霍尼韋爾的公司上了熱搜，原因是因為該公司宣布製造出目前全世界運行速度最快的計算機--體積為64的量子計算機。

什麼是量子計算機呢？根據介紹，量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。 當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。 與普通計算機不同的是，量子計算機的基本組成單位為量子比特，其主要特徵為一個量子比特可以同時處於兩個或者多個狀態並存，可以【同時執行多個任務】【擁有0和1甚至更多狀態】。與此相對的是普通計算機：其基本計算單位為比特，而每一個比特只可以擁有一個狀態，0【或者】1。那麼量子計算機是如何完成這樣多種任務並行的複雜運算的呢？

普通的計算機，它的信息被蘊藏在人們熟悉的「比特（Bits）」中—一個比特的狀態，只能是0，或者1。但是對於一個量子計算機來說，它所儲存的信息可以是被疊加的比特信息—它的信息藏在「量子比特（Qubits）」—一個量子比特的狀態可能同時是0和1；而如果是普通計算機，兩個比特的信息，將可以儲存00,01,10,11這四種可能中的一種，但是對於量子計算機來說，一對量子比特就可以同時儲存00,01,10,11這四種狀態，因為每一個字節可以同時代表2個狀態，因此2個字節就可以同時代表4個狀態。這就是說：量子計算機儲存的信息每增加一個字節就成幾何指數增長，1000個量子比特儲存的信息講是2^1000次方，已經接近無限大。當然，1000體積的量子計算機我們地球目前還沒有人能夠做出來。目前地球上最為強大的量子計算機是霍尼韋爾製造的量子計算機；霍尼韋爾量子計算機的體積是64，也就是有6個量子比特；目前世界第二強大的量子計算機是谷歌和IBM體積為32（量子比特為5的計算機）的量子計算機。當量子比特為58的時候，量子計算機的速度將超過目前世界上最快的計算機。我國雖然尚未出現體積超超過1000的量子計算機，但是在我國在量子通訊以及加密方面卻在全世界遙遙領先：我國是首個使用大氣層外的衛星作為量子糾纏的來源在地面建立千公裡級別的量子信息加密，這為量子通訊技術在我國未來大規模民用奠定了基礎。

那麼量子計算機到底是什麼樣子的呢？霍尼韋爾的量子計算機由一個籃球大小的不鏽鋼箱組成，由液氦以略高於絕對零度的溫度(原子停止振動的溫度)冷卻。在這個房間裡，漂浮在電腦晶片上的單個原子被雷射瞄準、操縱，進行計算。霍尼韋爾公司在過去的十年裡一直朝著這個目標努力，研究並且開發低溫和雷射工具的技術。目前，霍尼韋爾的量子計算機和摩根大通公司籤約，主要幫助摩根大通公司的量子學專家建立詐騙識別型。

想要更深入的了解量子計算機，我們首先來了解一下什麼是量子，以及它與傳統物理學有何區別。量子是物質不可分割的、物質最小的單位稱呼，而量子力學則是研究這些微觀量子行為方式的學科。

一. 加熱氦元素實驗產生的不連續光譜，證明原子的電子只可以在特定的軌跡行走而不可以在設定好的軌跡之間行走；普朗克定律

提到量子計算機，就不得不說一下「什麼叫做量子力學」。

在17到18世紀，人類首先對最常見的量子，光，的運行方式產生興趣並提出了很多光學理論。

第一個對量子力學做出重要的初期貢獻的時候法拉第：他發現當給一個真空試管安排兩極的並且加入電壓的時候，真空試管會發出光；之後諸多科學家，包括赫茲以及愛因斯坦發現了光電現象並完善了光電效應的理論。但是隨著研究的發展，到了19世紀初期，科學家們發現，原有的光學理論和經典物理學理論無法解釋某些特殊科學現象，比如黑體輻射現象。

有一個十分有趣的實驗：科學家們將氦氣試管加熱使其離子化並呈現光譜，透過特殊的水晶體科學家們發現，與想像中的彩虹一般的折射出來的連續而且漸變的光譜不同的是，透過水晶折射出的彩色光線呈現明顯的不連續性--實際上在整條「氦氣光譜」中只有幾個特定的顏色得以顯示，每一個特定的顏色代表一個特定的頻率，並且每一個顏色的形狀呈現出鉛筆一樣筆直的狀態，而每一根鉛筆之間沒有任何光譜產生。這充分說明了：原子的電子，只可以沿著若干特定的、預設好的、一成不變的軌跡行走，而能量的吸收和釋放的值只能存在於某些狀態，而不能存在於這些狀態之間的狀態。自此，人們開始發現一個嶄新的，從微觀世界來看待世界的學科。實際上，經過短短幾十年的發展，科學家們發現，量子力學不僅可以解釋微觀物理學，它同樣可以完美的解釋宏觀物理學。

配圖為氫元素（上）和氦元素（下）的光譜（筆直如同只有特定顏色的彩色鉛筆）

1900年馬克思•普朗克提出的馬克思•普朗克假說，認為能量的吸收並不是持續性的而是離散的（不連續的）；能量以一種叫做「量子」的小型能量包的模式被吸收。這個假設在後續被證明成為現實，它的假設可以用下面這個數學公式總結出來：

普朗克公式：E=hv (E代表能量；h為普朗克常數；v代表量子的頻率

上面這個公式叫做「普朗克定律」， 它可能沒有愛因斯坦的E=mc^2出名，但是它對於量子力學的意義可一點吧不比愛因斯坦的公式小。

二. 三個版本的雙縫實驗

對於學過物理的同學們，大家一定都知道在學習「波」這一章節的時候，有一個大名鼎鼎的雙縫實驗，即：任何波在通過雙縫的時候，都會形成兩個新的波，並且發生衍射現象，形成一個新的「被疊加起來的波」(Superposition of Waves)。但是大家知道嗎？除了我們熟悉的，日常生活中出現的水波、聲波之外，其實雙縫實驗對於量子同樣顯示了衍射現象。

• 實驗版本一

科學家們將一個量子用雷射發射出去，通過有著兩個柵欄的金屬板，粒子在每一次通過縫隙撞擊到金屬板後面的物體的時候，科學家們都會留下一個記號。當經過大量這樣的實驗後，人們驚訝的發現，所有的記號呈現出典型的、經過疊加後的波的特徵。在通過金屬板的時候，發生衍射現象，充分證明了量子是一種波。這個實驗在物理學界引起了軒然大波：量子是量子，波是波，量子怎麼能是一種波呢？

圖為雙縫實驗後波發生衍射現象

為了進一步探索這個問題，科學家們做出了以下實驗版本二：

• 實驗版本二

這一次，在上一次實驗的基礎上，科學家們將金屬縫隙的一側放置了一個粒子監測器；這個粒子監測器可以監測出粒子在通過縫隙時候的自旋情況，並希望對它的自旋情況加以解讀。但是，這次的實驗結果依然讓大家震驚不已：加入了粒子狀態監測器的雙縫實驗後，粒子撞擊後的痕跡居然不再呈現波的衍射現象--粒子依然可以通過左邊的縫隙，或者通過右邊的縫隙，並且在後板上形成痕跡，而且二者依然是波，但是這兩個波不再交集和疊加，形成特殊的衍射現象。難道，量子在我們「閉上眼睛的時候」（實驗一結果，不安裝監測器），量子是波（量子學家們認為這種波代表一種數學概率，所以愛因斯坦才為了反駁這個觀點提出「上帝不會擲色子」這個觀點；對於普通科學家們對於「波」為概率的解釋，筆者萬萬不敢贊同；筆者認為正是因為這個錯誤的解釋，導致了愛因斯坦陷入一個錯誤的反駁方式；其實答案也許很簡單，見筆者後續分析），而在我們睜開眼睛的時候，量子處于波的狀態就坍塌了？這樣豈不是說，只有我們睜開眼睛的時候，月亮才靜靜的掛在空中，而在我們閉上眼睛的時候，月亮處於一個「波」的無處不在的狀態？筆者不是這樣認為的，請看後續筆者分析。

這個實驗再次在科學界掀起滔天巨浪，但是這個實驗掀起的浪潮遠遠不如下面第三個實驗對所有科學家的打擊巨大。

• 實驗版本三

在實驗版本二的意外結果出現後，人們不禁思索，是不是安排在縫隙處的粒子狀態監測器，使得兩個縫隙不再具有「等同」狀態，因而造成量子這種波的衍射（疊加）現象消失？所以，科學家們這一次將粒子監測器，安排在了帶著雙縫的金屬板後面，在接近「記號板」的地方，並且科學家們只在粒子即將撞擊到記號板的時候，才將這個監測器開啟。你認為這一次科學家們會得到什麼樣的結果呢？正常的，具有衍射特性的撞擊痕跡呢，還是是沒有衍射現象的兩個波的痕跡呢？

按理說，只在粒子即將撞到記號板的時候，才去記錄，不會改變粒子的運行軌跡，得到的結果應該如同第一個實驗結果一樣，但是事實上，科學家們的得到的是第二個實驗的結果。難道量子真的在我們看和不看的時候會改變它的狀態嗎？還是另有蹊蹺。筆者會在後文將提出自己的解讀，這裡面也許隱藏著時間、空間和更高維度世界的秘密。

實際上，經過短短幾十年的發展，科學家們發現，量子力學不僅可以解釋微觀物理學，它同樣可以完美的解釋宏觀物理學。

三．波粒二象性引發的爭論：上帝是否投擲色子？

圖：上帝是擲色子嗎？

上文我們提及過量子是一種波的實驗和證明的實驗：量子和波（Waves）一樣會發生衍射現象—波穿過牆上兩個縫隙後形成兩個新的、相互疊加的特殊波紋。但是有趣的是，當你將量子檢測儀放入其中一個縫隙外側時，之後再觀察這種衍射現象的時候，雖然粒子依然有可能通過兩個空洞，但是兩個孔洞背後形成的獨特衍射現象神奇的消失了---粒子通過每個孔洞後依然會形成一個新的波紋，但是這兩個波紋不再產生相互疊加作用進行交集。衍射現象波紋不復存在。

值得一提的是，雖然實驗證明如此，但是愛因斯坦堅信除了量子是按照波的公式隨機出現之外，一定還有什麼特殊的地方，因為生於經典力學主宰萬物的時代，愛因斯坦認為，科學可以讓人類準確的預測一切物理運動。他不敢相信，頭頂的月亮，在他閉上眼睛的時候，處在一個概率雲的不定狀態。筆者也不這樣認為，請見後文分析。

「與其相信月亮只在我睜開眼睛的時候懸掛在空中，我更願意相信月亮一直在天空中掛著」。愛因斯坦為此和量子力學的另一個巨匠尼爾斯波爾產生了巨大爭執。並展開了下面的實驗。

四．量子糾纏的發現：物理瞬移成為並非完全不可能的事情

對於量子學巨匠波爾將量子描述成為一種完全由概率支配的波，一生深信一切皆可以被預測的、年輕氣盛的愛因斯坦表示無法接受。他一再強調「上帝不擲篩子」，而波爾則毫不客氣的反擊，「不要指揮上帝應該幹什麼」。為了證實自己的理論正確，愛因斯坦終於發現了一種量子最為重要、最為神奇的現象：量子糾纏（愛因斯坦初步發現了這個現象，但是他在發表的文章中，並沒有使用「量子糾纏」這個詞，描述並非完全清晰，但是這個現象最初的概念是1935年愛因斯坦發現的無疑）(在愛因斯坦發表自己的初步想法後，埃爾文斯丁格向愛因斯坦寫了一封信，表達了自己進一步的看法，完善了愛因斯坦的想法。後世一般將埃爾文斯丁格看作為量子糾纏概念的準確發現者，但是愛因斯坦卻更負盛名）。

量子糾纏指的是，在距離很近的情況下，兩個量子會相互糾纏—當一個量子正向旋轉的時候，另一個量子一定是向相反方向旋轉的。這個糾纏作用會一直伴隨兩個量子，不受任何距離的阻隔。這種量子特殊行為被愛因斯坦形容為「遠程距離的如同幽靈一般的行為」。

愛因斯坦為了證明波爾量子力學的不確定的缺陷性，提出並發現了量子纏繞現象，但是反而證明了波爾的正確性。

愛因斯坦稱量子纏繞為「幽靈般的遠程行為」

愛因斯坦：Quantum Entanglement Is An Spooky Action At The Distance 量子糾纏是一種幽靈般的遠程行為。

愛因斯坦：I&39;t play dices. The Lord is subtle but not malicious. 我寧願相信不管我看還是不看，月亮就在那裡。上帝不投擲色子。上帝很微妙但是不是惡意的。

波爾：&34; 愛因斯坦，停止指揮上帝告訴他應該做什麼吧！

愛因斯坦認為，量子的糾纏現象其實也許在量子離得很近的時候，開始糾纏的時候就註定了。比如，當你生產出一副手套後，將左手套和右手套分別放入兩個不同的箱子：左箱子和右箱子，然後運送到兩個不同的地方。結局是註定的：你在一個地方找到左手套的同時，在另一個箱子裡找到的一定是右手套。愛因斯坦認為：上帝不擲色子；一切早已註定。

愛因斯坦反對波爾的證據：不管我們看不看月球都不會消失

但是，實際並非如同愛因斯坦所想。在愛因斯坦去世後不久，在1967年，一個普通的航天學博士，克勞斯，在學習量子力學的時候，在圖書館的角落中注意到一篇非常不引人注意的愛爾蘭科學家約翰貝爾（John Bell）發表的文章，給了他關于波爾與愛因斯坦孰是孰非的重要啟示。在哥倫比亞大學的有力支持下，博士生克勞斯自己製作了裝備並將自己的實驗付諸於行動。有趣的是，克勞斯當時設計實驗之前，認為愛因斯坦的理論是正確的而量子力學是錯誤的，但是實驗結果恰恰和他之前所想的相反，這讓經典物理學派的克勞斯百思不得其解，也給量子力學派注入強心劑：量子力學、量子糾纏的確存在【筆者加上後面這句話：且不受時間和空間的限制；見後文闡述】。

圖：愛爾蘭科學家John Bell發表了一篇不被人看重的關於量子的文章，啟發了還是博士學生的克勞斯

雖然克勞斯並未成功證明自己原始的觀點，但是卻證明了波爾派的正確性。2012年，一位叫做Anton的科學家，在我國完成96千米的量子糾纏實驗之後，完成了距離143千米的量子糾纏實驗（糾纏量子狀態轉變實驗）。但是Anton並沒有止於理論上的研究和證明，他想，是否可以利用這個理論完成一些對人類有用的事情。經過兩年的實驗設計，他於2014年在非洲拉帕馬爾島（La Palma），他成功利用量子糾纏現象將一個光子在一瞬間轉移到另一個小島上；這個轉移是在瞬息完成的；光子並沒有物理的經過兩個島中間的距離，直接穿越到另一個島上。這位科學家之後做了很多關於瞬移不同粒子的實驗，都取得了成功，證明了一切量子均可瞬移。

如果量子糾纏現象得以應用，那麼人們的未來將美好的無可想像。比如：在未來，人們可以通過機器人在各個星球上無限制的採集和利用太空中的珍稀資源而絲毫不必擔心運輸問題；在未來，人們可以在巴黎吃早餐然後一個瞬移去火星看夕陽（如果在火星建立了傳送裝置）；在未來，人們甚至可以穿越在世間的海洋中，如同神秘博士（Doctor Who）一般，掌控時間，在時間之海中穿梭遊蕩。

當然，上述「物理瞬移」，實際上風險不小。第一，雖然支持者們相信，經過瞬移的後在另一方「重組」的，是「原版的你」，但是，這僅解釋了物質上的重組，而非靈魂上的重組：究竟到達另一個穿越門的，是你，還是一個和你物質上完全相同的「你的複製品」？如果這是一個你的複製品，那麼原本的你，豈不是在被分解的那一刻湮滅了嗎？如果這是你的複製品，他會有和你一樣的記憶嗎？會有靈魂嗎？如果瞬移機制不夠完善或者操縱錯誤，是否會出現只傳送了一條腿或者只傳送了一個眼球這種讓人恐懼的事情？是否會產生，因為原始的「原料」粒子準備的不到位，導致「複製、傳輸」出來一個殘次品。比如：現在人類已知的粒子組成了我們的物理世界，但是至今尚未有人可以解釋靈魂的誕生與組成。如果靈魂也是由一種粒子組成的，而這種粒子不屬於我們現在的四維世界，不存在於我們現有的認知當中，那麼瞬移的傳遞方就無法將這個信息檢測並且傳輸給接收方了。所以在這個人體傳輸例子當中，傳送後，人體可能出現肉體穿越但是靈魂無法穿越的現象。

量子瞬移

雖然量子力學的支持者們對瞬移技術深信不疑，但是依然不乏有人包括最早設立量子糾纏實驗的科學家克勞斯和小編。小編認為，瞬移到達的只是一具100%克隆品，但是人的靈魂屬於更高維度的產物，以目前人類的認知水平，做不到物質和靈魂的同時穿越。科學家克勞斯在2014年的採訪中對記者笑談，時至今日他依然無法完全理解量子力學的運行方式，「如果是我，我不會走進那架（瞬移）電梯」。

雖然人體瞬移值得讓人懷疑，但是這個實驗透露出一個重要觀點，即：量子的反應速度遠遠超過光速。在愛因斯坦的相對論中，愛因斯坦的公式表明，物體速度超過光速時間就會倒流。小編不禁猜想，這是否預示著，掌握了量子的秘密，人類就可以掌控時間？

在一個升級版本的量子衍射雙縫實驗，可能可以側面證明筆者的猜想：原本的雙縫實驗中，量子可以「感覺」到是否有人對某一個或者兩個縫隙進行監測，當任何監測出現的時候，量子都會「提前感知」，並取消衍射現象。為了測驗量子的「智商」，科學家們不再在縫隙處設立檢測，而是在投射屏幕前設立一個監測儀，並且只有當粒子即將撞上投射屏幕的一瞬間才進行檢測。讓科學家們感到無比神奇的是，按照推理，粒子這次實驗中將呈現出衍射現象，因為檢測器是最後開啟的，量子應當「沒有辦法提前感知、並且來不及反應」。但是實際情況是，量子們好似可以未卜先知，知道檢測器即將開啟，因此又一次神奇的取消了衍射現象，表現的如同提前預知到檢測器即將開啟一般。實際上，筆者認為，根據波粒二象性，量子即是波，又是粒子。當粒子被射出的那一剎那，粒子所產生的的「波」，你可以暫時把它理解成為一片虛無之海而漂流在上面的粒子就是虛無之海上隨波逐流的一隻「小黃鴨」。雖然小黃鴨無比渺小，但是它所在的虛無之海卻可以以比光速更快的方式「感知」到前方尚未出現但是即將出現的屏障，因此改變自己的波動方式。甚至，往深處想，為何量子可以超越光速？是否是因為它可以摺疊時間？而如果量子可以摺疊時間，是否意味著量子其實是更高維度的產物？想像一下一張可以自動生成更新的Excel表格。當人類在表格A中輸入數據的時候，表格B中可以出現和表格A中出現數字相對的數字。表格A和表格B都可以被理解為我們生活的三維維度，它們之間的連線可以看做是將三維維度摺疊造成的一個玩具「蟲洞」。

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量子瞬移通過糾纏技術提取母本信息使其傳輸到另一端而不受距離和時間限制

三．量子計算機

除了以上應用外，量子力學基礎上建立的量子計算機可以完成普通計算機1000年可能也完成不了的某些運算（註：之所以說是某些運算，是因為量子計算機的特性和普通計算機各有優勢；量子計算機在計算某些運算時有特殊優勢，但是可能在另一些方面的計算速度表現不如普通計算機）。在MIT研究量子計算機的賽斯羅伊德（Seth Lloyd）致力於將量子力學用於量子計算機的研究。量子計算機的基本計算單位為「Qubit」，一個Qubit既可以是1又可以是0，可以同時處於多種狀態，可以同時處理多種信息。量子計算機的量子比特可以由任何量子組成，可以是電子或者任何原子構成。MIT的量子計算機核心的量子比特是由納米技術支持的、可以雙向運動的、多個超導電路組成的。關於量子計算機為何可以通過量子比特的多任務處理優勢更加迅速的計算？想像一下你在一個巨大無比的迷宮中央，為了尋找出路，你需要一次一次不同嘗試不同的路線，會遇到大量的死胡同，進入大量的錯誤路線—這就是普通計算機解決問題的模式。但是在同一個迷宮中，量子計算機卻可以同時派出多個分身同時執行任務。普通計算機在遇到普通有限問題的時候，速度已經夠快，但是當遇到接近無限的問題的時候，或者大量變量的時候，運轉速度就會變得無比緩慢（比如預測颶風和地震）。運行這樣一個問題，傳統計算機需要無比龐大的身體，可能需要幾間房子大小的計算機，但是如果使用量子計算機來解決，僅僅需要幾百個原子即可，體積之小，甚至只需要一個蘋果大小。目前MIT實驗室中的量子計算機大小大約為一個多層結婚蛋糕大小，外部主要結構為一圈圈的金屬線做成且排列十分稀疏。

MIT的量子計算機狀如一個多層婚宴蛋糕

五. 量子通信

雖然物理瞬移的可靠性值得懷疑，但是毋庸置疑的是，無論被傳輸的是不是原始的物體版本，瞬移前後版本包含的物理信息也是完全一致的，因此可以說是實現通信的最佳手段。

目前，我國在量子通訊技術上的研究走在世界前沿。我國量子技術的歷史從2000年開始進入迅速發展通道，這其中離不開一個人的身影：潘建偉。在他的帶領下，我國首次實現五光子糾纏和終端開放的量子態隱形傳輸，16公裡自由空間量子態隱形傳輸，八光子薛丁格貓態，實驗實現了拓撲量子糾錯，實現了百公裡量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發，多自由度量子隱形傳態，成功發射升空世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」並申請專利；2017年9月，中國量子保密通信骨幹網絡，也是世界首條遠距離量子保密通信幹線——「京滬幹線」開通，同年，我國完成了10個超導量子比特的操縱，這比目前上了新聞頭條的霍尼韋爾公司更為強大而且早了兩年。

登上《科學》雜誌封面的我國墨子號量子通訊衛星

後續：量子革命，Or Not？

前一段時間有人提出，是否應該在我國建造大型粒子對撞機。話題爭辯的雙方為楊振寧博士和東莞市的量子力學領軍人物。楊振寧博士反對建造大型粒子對撞機，他的理由是高能物理學科研投入大，收穫少，且「盛宴已過」，而東莞市量子力學領軍人物則力挺量子力學，認為量子力學是未來最具有潛力和發展的學科。對此，筆者認為，其實研究量子有很多方式，不一定使用大型量子對撞機來實現。比如，量子力學最早進行的黑體實驗，是一個存在於理論上的實驗，而量子力學最早的雙縫實驗，成本也十分低廉，只需要雷射即可，而上個世紀哥倫比亞博士生的實驗，則同樣具有高性價比，但是得出的結論依然對於量子力學具有深遠意義。正因為量子力學是一門新興學科，全世界的國家站在同一個起點上，所以我國才具有未來遙遙領先的優勢。科學家們雖然認為目前的量子計算機和真正的量子計算機尚有所差別，但是量子力學的支持者們普遍認為量子計算機是後摩爾時代的解決方案。

人類究竟能不能掌握和利用量子的運行規則，掀起一場改變人類命運的工業革命？就好比幾百年前，人類掌握蒸汽和電力後掀起的工業革命一樣？如果可以，我希望華夏是這場革命的領導者。