10 月 16 日,中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。清華大學副校長、中國科學院院士薛其坤就這個問題進行了講解,提出了意見和建議。
這消息一出,中國的廣大股神們又躁動了。量子科技題材股分分鐘就要再造十個茅臺。
各位大神們,咱們能謙虛點兒嗎?你們知道什麼是量子嗎?你們知道什麼是量子糾纏嗎?你們知道量子科技產業化到什麼程度了嗎?翻了一遍百度百科就把自己當專家了?
大神玻爾曾說,如果一個人第一次聽到量子物理而不感到困惑,那他一定是沒有聽懂。
所以,咱先把事捋明白再吹行嗎?
1814 年,法國數學家、天體學家拉普拉斯釋放出了物理學四大神獸之一——拉普拉斯妖。這隻妖一出,就讓全人類籠罩在了「宿命論」的陰影之下。
「我們可以把宇宙現在的狀態視為其過去的果以及未來的因。如果一個智者能知道某一刻所有自然運動的力和所有自然構成的物件的位置,假如他也能夠對這些數據進行分析,那宇宙裡最大的物體到最小的粒子的運動都會包含在一條簡單公式中。對於這智者來說沒有事物會是含糊的,而未來只會像過去般出現在他面前。」
Pierre-Simon de Laplace,A Philosophical Essay on Probabilities
皮埃爾西蒙•拉普拉斯
拉普拉斯所謂的這個「智者」就被後人稱作「拉普拉斯妖」。
簡單來說呢,就像我們參加高考,文科考試的題,像是閱讀理解、作文,可以沒有唯一確定的答案,但是,數理化考試的題,那一定是有唯一確定的答案的。即便這題我們不會算,但至少萬能的出題老師一定知道這個答案。
你把出題老師就想像成是這個拉普拉斯妖,他用全宇宙出了一道題:
已知:整個宇宙都是由基本粒子構成的,而且,每個基本粒子都遵循統一的物理學規律。現在這個時刻,每個基本粒子的位置和運動狀態都是確定的。假設我的算力無窮大,
請問:我是否可以計算出來任何時刻每個粒子的位置和運動的狀態?換句話說,宇宙任何時刻的狀態是否都已經確定好了?
按照拉普拉斯的這個描述,這個答案是肯定的。拉普拉斯妖就像是無所不能的上帝,整個宇宙不過是他遊戲的棋盤,包括人類在內的宇宙的命運早已經註定。
這不就是宗教中的宿命論?關鍵是這個宿命論還是用無可辯駁的科學和邏輯的手段證明的。因此,這也被稱作是「科學宿命論」。
難道科學之上真是神學?難道我們人類的命運早已註定,任何努力都是徒勞無功的?
1900 年,物理學家普朗克率先提出了「量子」的概念,也就是指物質或者物理量的不可再繼續進行拆分的最小單元。現代物理學研究的焦點也正式從宏觀領域轉入到了微觀領域。
但即便如此,科學宿命論的陰影一直籠罩著人們,哪怕是天縱奇才的愛因斯坦,提出了奠定現代物理兩大根基的相對論,他也堅定地認為一切都是被物理規律安排好的。
阿爾伯特•愛因斯坦
直到 1927 年,這層陰影才被一位年僅 26 歲的年輕物理學家撕碎,他就是量子力學的創始人之一、1932 年諾貝爾物理學獎獲得者——沃納•海森堡。
沃納•海森堡
海森堡提出了一個顛覆當時物理學三觀的理論:你不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度,越精確地知道它的位置,你就越不能精確地知道它的速度。
這個理論叫做「測不準原理」,這種測不準並不是因為測量設備的誤差或者測量流程的不規範造成的,而是粒子似乎有意識一樣,故意讓你無法測量準。
而且針對的觀察者也不僅僅是人類,畢竟,人類也是粒子構成的。只要有試圖觀察的意圖,無論觀察者是人類,還是拉普拉斯妖,甚至整個宇宙,粒子就會讓你測不準。
因此,為了不讓人對這個原理的理解產生歧義,現在這個原理一般不叫作「測不準原理」,而是被稱作是「不確定性原理」。
不確定性原理一出,拉普拉斯妖帶來的陰影就被驅散了。因為你連粒子現在的狀態都無法獲知,即便是粒子都遵循統一的物理規律,你又如何能夠計算得出粒子未來的狀態呢?而且,不僅人類不知道,哪怕是整個宇宙都不知道。這個原理成為了量子力學的基石理論。
但是,拉普拉斯妖是被趕走了,新的恐怖故事又出現了。為什麼粒子就是測不準呢?難道真的是粒子有意識故意為之?量子力學的經典實驗雙縫幹涉實驗進一步加劇了這種恐怖。
限於篇幅,我們在這就不詳細地展開講這個實驗了,有興趣的朋友可以自行搜索。
簡而言之,這個實驗證明了粒子的波粒二象性。而且,粒子就像是有靈性一樣:當沒有觀察者要觀察粒子究竟是從哪個縫通過的時候,粒子就會同時穿過雙縫,表現出來的就是波的形式;而當有觀察者要觀察粒子究竟是從哪個縫通過的時候,粒子就會選擇一個縫穿過,表現出來的就是粒子的形式。
科學家用了各種粒子來重複這個實驗,無論是光子還是電子,所有的粒子都呈現出同樣的實驗結果。
科學家也使用了單個粒子代替一束粒子來測試,結果發現仍然也是同樣的結果,單個粒子也能同時通過兩條縫,自己和自己幹涉。
科學家們甚至把探測器放置於縫的後面,結果粒子穿過縫之後發現有探測器,居然能逆轉時間調頭回去重新把自己偽裝成是粒子形態。
總之,各種讓科學家百思不得其解的玄幻現象層出不窮,為了解釋這些奇特的量子現象,那個時代的物理學大神們吵破了頭。玻爾、海森堡、玻恩等哥本哈根學派提出了以不確定性原理為基礎的哥本哈根詮釋,而愛因斯坦則堅持認為「上帝不擲骰子」,薛丁格也搬出了物理學四大神獸中的另外一隻——又死又活的「薛丁格的貓」,以此來反對哥本哈根詮釋。
最終,哥本哈根學派漸漸獲得了越來越多的物理學家的支持,以他們的理論為基礎,不斷融合其他物理學家的研究成果和最新的量子實驗結果,形成了一門專門研究量子尺度下粒子運動規律的新理論——量子力學。
量子力學和相對論共同構成了現代物理學的兩支理論支柱,經典的牛頓物理不過是在宏觀尺度下對它們的高精度近似。
量子力學自誕生伊始,便伴隨著激烈的爭論,而且因為理論是建立在大量假設基礎之上,描述的東西又太過超出常規認知,所以一直以來成為各種民科的必爭之地,爭議之聲此起彼伏。
但是,量子力學也正是在這種爭議聲中經歷了檢驗,無論是理論推演,還是實驗證明,都在不斷驗證著量子力學的理論,也完美地解釋了現實世界的種種物理現象,具有良好的自洽性。
量子力學不斷地發展壯大,又通過與其他學科、理論和技術的結合,衍生出了諸如量子化學、量子場論、量子技術和量子信息科學等新興學科,這些有關於量子的研究統稱為「量子物理」。量子物理的科學研究和在經濟社會中的實際技術應用,統稱為「量子科技」。
從感覺上來說,量子科技似乎距離我們太過遙遠,很難應用到實際中來。事實也的確如此,量子科技也許會成為人類下一輪工業革命的引擎,但是必然是在十分遙遠的未來。
目前,相對比較明確的量子科技的應用就是量子信息科學,主要包括量子計算和量子通信。
根據量子力學,粒子具備兩種基本的形態,即量子疊加態和量子糾纏態,量子計算和量子通信主要就是應用了這兩種量子形態。
量子計算,顧名思義,就是用量子來進行計算。其實就是用量子來代替傳統電子計算機的邏輯門電路。
眾所周知,電子計算機內部使用 0 和 1 的二進位語言,二進位語言具體就是通過邏輯門電路來實現的,其實就是兩路電,電壓較高的一路(高電平)表示 1,電壓較低的一路(低電平)表示 0。
兩路電輸入,一路電輸出,總輸出兩路中較低電壓一路的叫做邏輯「與門」,總輸出兩路中較高電壓一路的叫做邏輯「或門」。
一路電輸入,一路電輸出,如果是高電壓輸入,那麼總輸出低電壓,如果是低電壓輸入,那麼總輸出高電壓,這叫做邏輯「非門」。
與或非三門邏輯電路就是集成電路的最基礎元器件,通過這三門邏輯電路又可以組合出諸如異或門、半加器等其他基礎電路元器件,最終,這些數不勝數的邏輯電路按照一定的設計規則集成起來就可以實現各種各樣的計算功能,這就是我們通常所說的晶片。
計算機晶片
而量子計算,並不是突破了計算機的基本原理,它仍然遵循馮•諾伊曼的計算機體系架構,仍然使用 0 和 1 的二進位語言,這意味著,只要量子計算機能做的,傳統的電子計算機都能做,只是存在效率差異。
這種效率的差異體現在構成計算機的最小單元上。
現在我們使用的計算機,一路電只能表示一種電壓,也就是一個比特位只能表示 0 或者 1。
而量子計算機,使用一個量子位就能同時表示 0 和 1。這是因為量子疊加態的存在,也就是薛丁諤曾經提出來的那隻看起來不可能」既生且死「的貓,事實證明,粒子的確擁有這樣的一種狀態,既生且死,是 0 同時還是 1。
這似乎看起來只是提高了一倍性能,但是,請讓我們一起來看一道簡單的數學題:m 個 1 和 2 的 n 次方,已知 m = 100 億,請問 n 要達到多少才能實現 2 的 n 次方大於 m 個 1?
現在的晶片動輒集成了數以百億計的電晶體,而且隨著從現在的 7 納米到 3 納米甚至 1 納米進展,同樣面積集成的電晶體數量還將暴增。但是,數量再多,m 個 1,m 即便是 100 億,得到的結果也就是 100 億。
而 2 的 n 次方,n 達到 24 的時候就能遠超 100 億了。
因此,量子計算機隨著量子位的增加,對傳統電子計算機的性能優勢是指數級別的提升和碾壓。
比如,目前我們網際網路上最常使用的 RSA 加密算法,你在網際網路上的所有信息幾乎都是這種算法在幫你保護著。
RSA 算法的實質就是兩個超級大質數相乘,之所以能夠如此流行,就是因為要破解它沒有任何取巧的辦法,唯一的辦法就是暴力破解,就是把這個超級大的乘積分解質因子找到這兩個超級大質數。這個乘積有多大呢?
如果是 64 位加密,就是 64 位二進位大數;如果是 128 位加密,就是 128 位二進位大數。
這看起來似乎也不難是吧,但是,人類運用傳統電子計算機目前成功破解的最長的 RSA 密碼僅僅是 768 位,也就是意味著 1024 位的 RSA 密碼是極其安全的,而 2048 位的 RSA 密碼更是幾乎沒有任何電子計算機的運算能力能夠破解。
面對這種極其考驗計算能力的事情,量子計算機擁有著獨特的優勢,2019 年,谷歌的量子計算機只用了 8 小時就破解了 2048 位的RSA密碼。
想想吧,如果有人用這個來作惡,呵呵。。。
當然,量子計算機的技術難度是非常大的,消耗的能量更是不可估量,而且目前只是在某些特定情景下(比如 RSA 密鑰破解),其性能是遠超傳統電子計算機的,在絕大部分領域還是遠遠無法替代電子計算機的。
所以,從性能和經濟性上來說,量子計算機最主要的應該是對超級計算機的取代,而不是對普通智能設備的取代,它註定只能是國家和超級大公司的利器。
谷歌量子計算機
目前世界上量子計算研發進展最快的也正是中美兩個超級大國,以及谷歌、微軟、IBM、華為等這些超級公司。其中,谷歌宣稱已經實現了 72 個量子比特的量子計算機,是目前對外公布的所有量子計算機中最為領先的。
除了量子計算外,量子通信是量子科技另一個比較明確的應用,其原理是利用量子糾纏態。
所謂量子糾纏態,就是當幾個粒子在彼此相互作用後,由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質,無法單獨描述各個粒子的性質,只能描述整體系統的性質。
啥意思呢?
有一對粒子,它們處於量子糾纏狀態。當其中一個粒子被觀察到正在上旋時,另一個粒子無論身處何地,都會立即調整成為與其完全相反的下旋。這種作用完全忽視距離和時間的存在,即便一個粒子處在宇宙的這一端,另外一個粒子處在宇宙的那一端,這種效應也是瞬時完成 —— 中間哪怕連 0.000000000000001 秒的間隔都沒有。
就好像玄幻小說中被下了同心毒的兩個人,一個人毒發身亡,另外一個也立馬 game over 。
這種鬼魅般的超距作用,一直以來都是無法解釋但是又切實存在的量子力學現象。兩個粒子之間似乎存在著某種機制傳遞了信息,這也引起了物理學家們對信息的本質到底是什麼的爭論。
如果信息是物質或者能量,它怎麼能夠違反相對論超過光速進行傳遞?
如果信息不是物質或者能量,那麼它到底是個啥玩意兒?為什麼能夠被傳遞?
量子科技的應用型科學家就表示,咱別像理論物理學家那樣去燒腦了,反正量子糾纏確實存在,而且確實能無視距離、無視時間地傳遞信息,咱就用它來通信吧,於是量子通信就出現了。
相比較於傳統的電子通信,量子通信有這麼幾個顯著的優點:
第一,速度快。這已經不能用單純的快來形容了,光速在量子通信面前都弱爆了。
第二,信息量大。因為之前咱們說過的量子疊加態的存在,一個量子比特就能同時表示 0 和 1,其所能傳遞的信息容量相比於電子通信是指數級別的提升。
第三,安全性高。之前咱們說過了,電子通信所依賴的 RSA 密鑰在量子計算面前就是渣渣,量子通信則能夠提供堅不可摧的量子密鑰。
當然,量子通信看起來很美好,但是實際上目前真正具有實用價值的還是在保密通信領域,即使用量子技術來對信息的傳遞進行加密,而不是傳遞信息本身,這個技術被稱作是」量子密鑰分發「。
量子密鑰分發 BB84 協議
量子密鑰分發其實就是利用了量子的不確定性原理和量子糾纏態,來防止竊聽。
利用不確定性原理,當對一個粒子的狀態進行觀測時,這個量子的狀態就會改變。而竊聽就意味著測量,所以一旦有竊聽發生,那麼量子的狀態就會改變,那麼信息的傳遞和接收方就會意識到信息被竊聽了。
利用量子糾纏態,當對處於糾纏態的中的一個粒子進行觀測時,那麼另一個粒子就會感知到,所以,同理,當有竊聽即觀測存在時,信息的傳遞和接收方也會意識到被竊聽了。
目前,我國的量子密鑰分發技術可以說是走在了世界前列。
早在 2009 年 9 月,潘建偉院士的科研團隊就建成了世界上首個全通型量子通信網絡,首次實現了實時語音量子保密通信。這一成果在同類產品中位居國際先進水平,標誌著中國在城域量子網絡關鍵技術方面已經達到了產業化要求。
墨子號量子通信衛星
2016 年,我國又成功發射了天宮二號空間實驗室和墨子號量子通信衛星,並成功實現了千公裡級的量子通信,創造了量子通信距離的新的世界紀錄。
綜上所述,量子科技目前對於國家安全的重要程度要遠勝於在民用領域的應用。量子科技的應用領域仍然十分局限,要想拓寬應用領域必須依賴著量子力學基礎理論的進一步突破。
因此,我們不僅要重視量子科技的實用化研究,更要重視對量子力學的基礎研究,培養更多的理論物理人才。只有這樣,才是長遠之計。