較真| 量子水杯、量子內衣……這些打著量子旗號的產品靠譜嗎

較真要點：

• 1「量子」近年來成為炙手可熱的科技名詞。目前，量子世界裡，「量子+信息」領域進展最多。其產生的第一個應用是量子通信，第二個應用是量子計算。
• 2也許是因為量子世界太神秘了，所以產生了很多不切實際的幻想。比如有些人問，量子技術能否使人發生時空轉移，從一個地方消失，而瞬間在另一個地方比如另一個星球上出現？答案當然是否定的，因為人是無法用量子態表述的宏觀經典客體，經典客體不遵守量子力學規律。又如，有些人號稱發現了雙胞胎之間存在「心靈感應」現象，也把它稱之為「量子糾纏」。不管這種現象是否真正的存在，可以確定的是，這肯定不是「量子糾纏」。
• 3至於形形色色的量子產品是否有效、是否能治療疾病，筆者在這裡下結論似乎有點冒天下之大不韙，但老闆或者銷售能否寫出薛丁格方程，倒是一個必要的判斷條件。當下很多所謂量子產品就像炒股票一樣，在傍熱點、玩題材、炒概念而已。

查證者：閏餘成歲 | 物理博士

繼物聯網、雲計算、大數據、3D列印等之後，「量子」近年來成為炙手可熱的科技名詞，並且很快從實驗室走向了社會。據了解，「量子水杯」、「量子項鍊」、「量子內衣」甚至「量子護心卡」等多種量子產品在市場上出現，有的還成為了網絡熱銷爆款。

那麼，令人應接不暇的量子產品，真的有效嗎？讓我們從什麼是量子說起。

一、量子理論難懂，但量子這個詞並不複雜

通常物理系學生都要學習力、熱、光、電等四小力學以及理論力學、電動力學、熱力學與統計物理、量子力學等四大力學。根據筆者當時學習時的經歷和體會，這些大小力學中，大部分同學都反應量子力學最晦澀而難懂。

的確，與其他力學主要難在複雜的數學方程不同，量子力學描述了一個跟經典物理截然不同的圖景，或者說是超越了牛頓世界的新世界觀，需要從思想上跳出牛頓力學框架來理解量子理論給出的論證和結論。

比如，宏觀世界的物質，能量是連續的，但對於微觀的原子、原子核、核外電子等，它們的能量卻是分離化的，只能處於一系列能量不連續的能級，這種狀態叫做量子化。當電子面對一堵高牆（勢壘），即使它的動能小於高牆（勢壘）的勢能，但卻仍有一定的概率穿越這堵牆，這在量子力學中可以通過嚴格的數學從薛丁格方程推導出來，並且在實驗上得到證實。而這在經典力學中是絕對不可能發生的——正如車的動能不足夠大就不可能爬上某個山坡。

又如，量子力學給出一個測不準原理，也就是對於微觀世界的粒子，你不可能同時準確知道它的位置和速度（動量），當速度（動量）固定時，它的位置存在著大於某個常數的不確定性，反之亦然。這個原理根源於量子力學中測量的性質，對像空間位置、動能這樣相互聯繫的力學量，不可能同時準確地測量。

所以，自二十世紀初誕生以來，量子理論似乎一直是一個獨特的、不可感知的物理分支，在這個問題上，連被譽為繼伽利略、牛頓以來最偉大的物理學家愛因斯坦也有過失誤。他反對量子論的創立者波爾、薛丁格等人的觀點，認為隨機性是不可能的，如果有也是因為一些參數沒有掌握，類似於求解方程缺少條件一樣，因為上帝不會擲骰子。不過，後來卻有越來越多的實驗證實了量子理論的正確性。

回到量子這個名詞，它來自拉丁語quantus，英文為「quantum」，意為「有多少」，代表「一定數量的某物質」，如果一個物理量存在最小的不可分割的基本單位，這個最小單位就稱為量子，比如對於光的基本組成光子來說，每一個光子都是不可分割的最小能量單元，稱為光量子，簡稱光子，光子等微觀粒子所具有的狀態，就稱為量子態。

因此，牛頓定律統治的是宏觀世界，量子力學和量子理論統治的則是微觀世界。與牛頓方程相對應的量子世界的主宰是薛丁格方程。正是薛丁格方程揭開了一個博大精深而玄妙的新世界。

二、量子世界或許很大，但目前看得見的是「量子+信息」

量子世界裡，量子疊加、量子糾纏、量子不可克隆定理等新奇的物理規律不斷被推演和證實。

量子疊加指量子客體的狀態可以同時處於多種不同的量子態上，如電子的自旋處於朝上狀態和朝下狀態的疊加態。著名的「薛丁格的貓」就是這樣的一個例子，「一隻貓可以同時是活的又是死的」。

量子糾纏指的是多粒子體系的一種疊加態，這種疊加態中不能清晰地看出每個組成粒子的狀態。多個微觀粒子組成體系處於糾纏態時，體系呈現出一種整體的性質，單個粒子的狀態不能孤立存在，而是與其他粒子的狀態相互關聯，不管它們之間的距離有多遠。

量子不可克隆定理則是基於量子力學的原理推出，說的是不可能對某個未知量子態進行完全相同的複製。

根據這些物理規律，結合現代信息理論，可以用量子態（原子、光子或亞原子粒子所處的狀態）來表徵和處理信息。我們把由一個具有兩個量子態的量子客體作為量子信息的基本單元，叫做量子比特。量子信息的演變遵從薛丁格方程。信息的傳輸就是表徵信息的量子客體的量子態的傳輸，信息的接收或提取就是對量子態進行測量，信息的處理或者說計算就是對量子態進行變換。

「量子+信息」產生的第一個應用是量子通信，它的理論基礎是量子不可克隆定理、量子測量特性、量子糾纏等量子力學原理。量子通信包括量子密鑰分發、量子安全直接通信、量子秘密共享、量子隱形傳態和量子密集編碼。其中，量子密鑰分發、量子安全直接通信、量子秘密共享以保護信息的安全為目的，又稱為量子保密通信或量子密碼學。量子保密通信靠發現竊聽，使得竊聽者得不到信息來保證信息的安全。

對於傳統的保密通信來說，它是通過使用複雜的數學變換將信息變換為密文來保證其安全的。但是隨著計算機技術的發展，特別是量子計算機的發展，對這種保密通信的安全性帶來了嚴重的威脅。

而對於量子保密通信來說，它的保密性不是基於複雜的數學密碼，而是從物理上不讓竊聽者獲得傳輸數據，因此可以抵禦包括量子計算機在內的破譯攻擊，具有很高的安全性，特別是是隨著未來量子器件和設備越來越完善，甚至可以達到「絕對的安全」。比如甲和乙要進行通信，甲每次給乙發射一個光子，如果丙想從中搞竊聽，那麼他首先要截獲這個光子，通過測量光子的狀態獲取信息後，再把這個光子複製並轉發給乙，量子不可克隆定理保證了丙的精確複製不可能得逞。當乙發現收到的光子狀態與甲的描述不符，就會請甲放棄後續光子發射，以保證信息不被洩露。這就是一種最簡化的量子密鑰分發的原理。量子密鑰分發是利用量子客體在有距離分離的雙方傳輸隨機數從而進行密鑰協商，而量子安全直接通信則是利用量子客體直接在分開的雙方之間直接傳輸信息。

「量子+信息」產生的第二個應用是量子計算，它的理論基礎是量子疊加和量子糾纏。對於傳統的電子計算機來說，它主要是基於電晶體的輸出電壓高低分別代表1和0進行數字和邏輯運算，其計算能力提高取決於電晶體的集成度，並遵從摩爾定律。隨著半導體加工工藝進入納米尺度及以下，量子效應開始顯著，就必須基於量子力學重新設計計算機的體系結構及其運算規律。

量子計算超越傳統計算的地方在於，量子疊加能讓一個量子比特同時具備0和1兩種狀態，量子糾纏能讓空間上獨立的其他量子比特進行並行計算，從而使計算能力隨著量子比特位數的增加呈現指數增長。已經知道，利用量子計算機可以指數地加速大數的分解，可以平方根地加速無序資料庫的搜索。目前IBM和谷歌已經宣布研製出50個量子比特和72個量子比特的超導量子計算機，然而研製出通用量子計算機還有很長的路要走。在未來十年裡，很可能會研製出具有幾百個量子比特的沒有進行糾錯的量子計算機，其主要應用可能在量子模擬的研究。

三、「量子+生物」靠譜嗎？

按大類劃分，自然科學通常可以分為物質科學、生命科學和信息科學等。作為物質科學分支的量子力學，它與信息科學結合之後產生的量子信息科技，已經成為重要的前沿交叉學科。但是，雖然「量子+信息」獲得了很大的發展，那麼「量子+生物」靠譜嗎？這裡我們舉兩個例子。

基於量子糾纏，可以實現所謂量子隱形傳態，也就是將甲地的某一粒子的未知量子態（量子信息），通過一對糾纏粒子，在乙地的另一個粒子上呈現出來。這個過程有點類似於神話中的「遠距傳物」，但實際上整個過程沒有發生物質或能量的傳遞，而只是信息的傳輸，原來攜帶量子信息的粒子並未消失或者被傳走。

基於此，有些人幻想，神奇的量子技術能否使人發生時空轉移，從一個地方消失，而瞬間在另一個地方比如另一個星球上出現？答案當然是否定的，因為人是無法用量子態表述的宏觀經典客體，不遵守量子力學規律。

又如，有些人號稱發現了雙胞胎之間存在「心靈感應」現象，也把它稱之為「量子糾纏」。不管這種現象是否真正的存在，可以確定的是，這肯定不是「量子糾纏」。因為量子糾纏在測量時，其結果有多種可能，完全隨機，不可能只得到要「感應」的結果。

至於形形色色的量子產品是否有效、是否能治療疾病，筆者在這裡下結論似乎有點冒天下之大不韙。但在國民科學素質整體有待提高的情況下，當下很多所謂量子產品就像炒股票一樣，在傍熱點、玩題材、炒概念而已。

本文編輯：marthaywang

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