在中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心內的量子模擬實驗室拍攝的超冷原子光晶格平臺的雷射伺服系統。
薛丁格的貓是死，是活？
一個單獨的神經元，它的中間像一個複雜的開關，而外面的部分則像很多根接出來的電線。
幾個神經元連在一起的樣子，盤根錯節的，像一個小規模的集成電路。
北京大學饒毅教授實驗室拍到的一幅人腦中神經元和腦細胞分布圖，像一個超大規模的集成電路。
澳大利亞國立大學非線性物理中心博士生王凱在位於坎培拉的澳大利亞國立大學實驗室拿著「量子透鏡」 樣品。
大家可能覺得量子理論生澀拗口，完全超乎常人的生活經驗，實在太難以理解了。但它實際上早就在我們的生活中有著廣泛的應用。
記者｜陳 冰
1935年的一隻貓，足足橫行了科學圈幾十年，還成了科學史上的四大神獸之一。槓精、著名物理學家薛丁格本來想諷刺一把量子力學，可命運弄人，他的貓卻成了量子力學最致命的代言人。
這隻既生又死的貓到底是何方神聖？今天，就讓我們來揭開它的神秘面紗。
神奇的量子世界
在遨遊神奇的量子世界之前，我們先要從日常生活的世界，也即經典世界說起。
在20 世紀以前，我們對經典世界的認知主要來自牛頓，他在自己最著名的學術著作《自然哲學的數學原理》中，建立起了經典的牛頓力學體系，其核心就是牛頓三定律和萬有引力定律。
我們的日常生活，大到日月星辰，中到江河湖海，小到柴米油鹽，全都可以用牛頓的理論來解釋，因此人們認為這就是主宰整個宇宙的終極真理。進入20 世紀，科學家們發現，牛頓力學只適用於我們的宏觀世界，放到尺度特別小的微觀世界，這套理論就完全行不通了。
所以，量子力學是關於微觀物質世界運動規律的理論體系。它與相對論一起構成現代物理學的理論基礎，而且在化學等學科和許多近代技術中得到廣泛應用。
那麼，量子力學又是怎麼誕生的呢？
簡單地說，人類是在研究光的過程中偶然邂逅了量子。
我們知道世界上的物質都是由原子構成的。除了原子以外，還有一種常見的東西——光。早在19 世紀科學家們就已經發現光是一種以光速傳播的波，而且物體熱輻射發出來的光，其能量並不連續，而是一份份的，這種特性被稱之為「量子化」。換言之，在量子世界裡，物理量總是存在著一個最小值，無法像在經典世界中那樣，直接趨近於零。這個偉大的發現開啟了通往量子世界的大門。它的發現者——普朗克也因此獲得了1918 年的諾貝爾物理學獎。
接下來，就是金光閃閃的愛因斯坦登場了。他在1905 年做出了三項震驚世界的重大發現——狹義相對論、布朗運動和光電效應。而光電效應是人類在理解量子世界的道路上邁出的第二步，愛因斯坦也因此獲得了1921 年的諾貝爾物理學獎。
什麼是光電效應？就是當某一光子照射到對光靈敏的物質上時，它的能量可以被該物質中的某個電子全部吸收。電子吸收光子的能量之後，動能立刻增加，如果動能增大到足以克服原子核對它的引力，就能在十億分之一秒時間內飛逸出金屬表面，成為光電子，形成光電流。
這是一種特別稀奇的物理學現象，因為這種現象的發生取決於光的頻率。在一定頻率之上的光，只要一照就可以從金屬中打出電子；而在此頻率之下的光，無論照射多長時間也無法把電子打出來。這就很難讓人理解。因為在牛頓的經典力學中，能量是連續的。比如，要把一個大水缸裝滿水，你用大臉盆一盆一盆地往裡倒水，可以把水缸裝滿；你用小水杯一杯一杯地接水，也可以把水缸裝滿。但現在光電效應實驗告訴我們，你用大臉盆可以把水缸裝滿，但是用小水杯就不行。
愛因斯坦解釋說，由於光本身並不連續，而是由一個個叫光子的微粒組成。光子的能量取決於光的頻率，光的頻率越高，光子的能量就越大。如果光子的能量小，它傳遞給電子的能量也就小，如果這個能量一直低於電子逃出去所需要的最低能量，電子就會一直被束縛在金屬內部。
光電效應現象昭示出世界不再是線性的，而是非線性的。所有微觀世界中的粒子，包括原子、原子核、電子以及光子，全都是量子的，而且它們全都不滿足牛頓力學的規律。這背後是人類從未涉足的領域——微觀量子世界。
在這片光電效應的藍色火花之中，一場物理界的颶風即將到來，從宏觀現實世界過渡到以往經驗完全不適用的微觀量子世界。「量子魔王」 呼之欲出。
薛丁格的貓是死，是活？
一名叫拉普拉斯的物理學家曾經預言，如果能知道某一時刻所有物體的運動狀態，就能知道未來發生的一切。比如說，你抓起一把石子往天上扔，只要能知道扔出去時的高度，以及丟出去時石子的速度或動量（物體的質量乘以它的速度），就可以精確地算出每個石子最終會落在哪裡。
但海森堡卻發現，在微觀世界裡，根本無法同時測出物體的位置和動量。換言之，如果你的「石子」 只有原子那麼小，你要想精確地測出它的位置，那它的動量就一定測不準；反之，你要想精確地測出它的動量，那它的位置就一定測不準。總之就是魚和熊掌不可兼得。而這種結果，就是量子力學中最重要的海森堡不確定性原理。
我們用波長較長的光，能測準微觀粒子的動量，卻測不準它的位置；而用波長較短的光，能測準微觀粒子的位置，卻測不準它的動量。也就是說，我們不可能同時將微觀世界某個物體的位置和速度同時測準，因此也就無法精確地算出它們未來的運動情況。
現在，我們可以讓薛丁格的貓登場了。
薛丁格是量子力學的奠基人之一。他發現了量子力學中最核心的方程——薛丁格方程，從而獲得了1933 年諾貝爾物理學獎。也正是通過這個方程，物理學家們發現在量子的世界中粒子是可以同時存在於很多地方。著名的「薛丁格的貓」 處於50% 生和50% 死的疊加狀態就是源於這個道理。
實驗大概是這樣的，把貓放進一個不透明的盒子裡，盒子連接到一個包含放射性原子核和有毒氣體的實驗裝置中。如果原子衰變了，毒氣瓶會被打破，盒子裡的貓會被毒死。要是原子核沒有衰變，貓就好好活著。
根據量子力學理論，原子核處於衰變和未衰變的疊加態，所以這隻貓就進入了一種「既生又死」 的狀態……
這樣的結論實在太可怕了，這隻貓也嚇壞了一大批科學家，特別是信奉量子力學的科學家。為了將這隻行走於陰陽兩界的貓拯救出來，科學家們忙活了一個多世紀，提出了五花八門的解釋。如上帝擲骰子般的概率論、多世界存在的平行宇宙，這也是量子力學讓人覺得特別像哲學或者是玄學的原因……
目前量子力學的主流理論之一是退相干理論。世界只有一個，只不過歷史有很多個，分為粗粒歷史、精細歷史。精細歷史是量子歷史，無法求解概率；粗粒歷史是經典歷史，在宏觀上顯示，類似於路徑積分，可以計算概率。每一個粒子都處在所有精細歷史的疊加之中，比如放射性原子；但一旦涉及宏觀物體，我們所能夠觀察到的就是一些粗粒歷史，比如打開盒子後看到的薛丁格的貓。因為量子退相干了，這些歷史永久地失去了聯繫，只剩下一種被我們感知到了。最後，本該是無序糾纏的量子，就表現得如互相獨立的經典世界一樣——本該是粒子疊加態的薛丁格的貓，打開後就只能看到一種或生或死的狀態了。
雖然這一解釋也不能說是十全十美，但畢竟從數學上還是哲學上，都讓處於現實世界的我們多了一份篤定，不再那麼糾結了。世界各國的科學家也開始利用這種理論來建立真正的現實應用，如量子計算和量子通信。
玄乎的量子力學有什麼用？
大家可能覺得量子理論生澀拗口，完全超乎常人的生活經驗，實在太難以理解了。但它實際上早就在我們的生活中有著廣泛的應用。
量子力學的第一個應用是雷射。平時我們常常會看到一些雷射祛斑脫毛的廣告，拿雷射器往臉上一照，色斑就消失了；往胳膊上一掃，體毛也脫落了。這是怎麼回事兒啊？
雷射和其他任何光一樣都是由光子種組成的，但雷射非常特別，它裡面的每個光子的能量都一樣大。雷射祛斑的工作原理就是當雷射照到臉上的時候，好皮膚裡的電子能量與雷射光子能量不匹配，所以會完好無損，而黑色斑塊裡的電子能量與雷射光子能量匹配，所以就會吸收雷射，並最終被雷射所破壞，雷射脫毛也是這個道理。
量子力學的第二個應用是半導體。我們用的手機、電腦，看的電視，還有之前用的收音機，裡面最核心的元件都是用半導體做的。我們知道原子中有電子，在一定條件下電子會擺脫原子核的束縛，在某種材料中自由運動，這就形成了電流。
讓我們把運動的電子想像成一輛小汽車，把電子跑過的材料想像成一條公路，那麼電流大不大或者說小汽車跑得快不快，取決於公路的狀況。有些材料，它們的路況很好，汽車在上面可以跑得很快，不會受到明顯的阻礙，這種材料就叫做導體。絕大多數金屬，比如銅、鋁、鐵都是導體，而有些材料，它們的路況很糟糕，障礙重重，汽車一上路就被堵得水洩不通，根本跑不起來。這種材料就叫絕緣體，我們常見的陶瓷、橡膠、玻璃都是絕緣體。
但是有一些特殊的材料，它們的路況很詭異。路上有不少障礙，一般汽車開上去就會被堵死，但要是外部條件發生變化，比如溫度升高，汽車就又能在路上開了。這些特殊的材料，就是半導體。利用半導體的特性就可以做出一些有用的電子元件，其中最重要的是二極體和電晶體。
二極體有一個非常特殊的性質，在一個方向上給它加上電壓它就會產生電流，而在相反的方向上給它加上電壓就不會有電流產生，這就像城市裡的單行道，你可以沿一個方向開車，但是沿另一個方向開車就不行了。LED 燈就是用發光二極體做出來的。它的發光效率非常高，很節能，而且使用壽命很長，所以LED 燈差不多已經成為我們最主要的光源。
還有一種電子元件跟二極體不同，它有三個接口，這種電子元件叫三極體，也叫電晶體。電晶體可以放大電流，同時可以充當開關。這些電晶體集成在一起，就是今天大家熟悉的集成電路，經過50 多年的發展，與最早的集成電路相比，現在的晶片計算能力已經提升了2 億多倍。今天區區一個iPhone 手機的計算能力，都已經超過了上世紀60 年代美國人登陸月球所用的全部計算資源。
目前最小的晶片尺寸已經做到了只有十納米，依照這個速度發展下去，到2030 年電晶體就會變成只有一個原子那麼大，到那個時候，根據不確定原理的話，任何操作都會直接幹擾這些電晶體的運行，所以2030年以後，或許半導體晶片就會停止發展了。
量子傳輸也是一種極具前景的應用。1982 年，三位物理學家發現了一個重要的定理，叫做量子不可克隆定理——在量子世界裡，沒有一個東西可以被完全地複製，換句話說，你沒辦法拷貝一個電子、一個原子或一個分子那麼小的東西。
雖然量子不可克隆定理禁止了微觀世界中的拷貝，但它卻沒有禁止微觀世界中的傳輸，也就是說在兩個世界中，你還是可以把一個微小的物體的信息全部複製到一堆原材料裡，從而製造出一個一模一樣的東西，但與經典世界不同的是，原來的物體一定會被破壞掉，最終的效果是一個物體突然從自己原來的位置消失，與此同時，另一個地方會出現一個一模一樣的東西。
所以從理論上講，人們可以製造一套量子傳輸機，實際上，量子傳輸已經在真實世界裡實現了。1993 年，6 位物理學家想出了一個用量子糾纏來實現量子傳輸的辦法。他們傳輸的東西非常簡單，只有一個光子，而且傳輸的距離很短，只有一個普通實驗室的長度，經過近20 年的發展，今天人類創造的量子傳輸最遠距離紀錄已經達到了340 公裡，相當於從武漢到長沙的距離。當然，我們還不能高興得太早。目前人類一次能傳輸的光子數目最多只有128000 個，別說瞬間傳送一個人了，就是傳送一個盒子都還做不到！
最後再來說說量子計算。量子計算機的主要元件是一種奇特的開關，它可以同時處於開和關的疊加狀態，也就是說它可以同時表示0和1這兩個數字，這樣的量子開關被稱為量子比特。在傳統的計算機當中，一個經典的開關，它能存儲的數字只有0 或1。量子開關它有50% 的機率存儲0，還有百分之50% 的機率存儲1。換言之，一個量子開關，一次就可以表示0 和1這兩個數字，如果是兩個量子開關，一次就能表示00、01、10、 11 這4 個數字，以此類推，隨著開關數的增加，經典系統一次表示的數字依然是一個，但量子系統一次表示的數字將會以指數的方式快速增加。這個速度有多快呢？當量子開關數達到20 的時候，它一次能表示的數字就會超過100 萬，這就是量子計算機的計算能力為什麼會如此強大。
2019 年9 月，谷歌宣布成功利用一臺 54 量子比特的量子計算機，實現了傳統架構計算機無法完成的任務。在世界最牛的超級計算機需要計算 1 萬年的實驗中，量子計算機只用了200 秒。2020 年12 月4 日，中國科學技術大學潘建偉團隊成功構建了76 個光子的量子計算原型機，並將其命名為「九章」。「九章」只需200秒就可以求解5000萬個樣本的高斯玻色取樣，比世界上最快的超級計算機快一百萬億倍。
當然，九章目前最大用途還只能是成為實驗室工具，取代一部分超算的負擔。這就像雷射的發明一樣，最開始也只是在實驗室應用，最終要普及生活應用中，可能還需要15-20 年的時間。（資料來源：李淼著《給孩子講的量子力學》、微信公眾號：量子派、墨子沙龍）
《新民周刊》（2021年1月11日9版）
https://paper.xinmin.cn/html/xmzk/2021-01-11/9/22914.html