揭秘量子世界：你是怎樣的「小妖精」？

奇妙的量子特性

量子有一個非常奇怪的特性——量子疊加。

什麼是量子疊加？經典事件里可以用某個物體的兩個狀態代表0 或1，比如 一隻貓，或者是死，或者是活，但不能同時處於死和活的狀態中間。

但在量子世界，不僅有0和1的狀態，某些時候像原子、分子、光子可以同時處於0和1狀態相干的疊加。比如光子的偏振狀態，在真空中傳遞的時候，可以沿水平方向振動，可以沿豎直方向振動，也可以處於45°斜振動，這個現象正是水平和豎直偏振兩個狀態的相干疊加。

這種所謂的量子相干疊加是量子世界與經典世界的根本區別。

著名的「薛定諤貓」形象地描述了這個佯謬。在經典世界裡，貓要不然是活的，要不然是死的，然而一隻量子的貓卻可以處在「死」和「活」的疊加狀態上。那麼這隻量子「薛定諤貓」到底是死的還是活的呢？

量子測量原理給出的答案是，如果你不去看這隻貓，它既不是死的也不是活的！如果你去看這隻貓，那麼它也許是死的，也許是活的！

正因為有量子疊加狀態，才導致量子力學不確定原理，即如果事先不知道單個量子狀態，就不可能通過測量把狀態的信息完全讀取；不能讀取就不能複製。 這是量子的兩個基本特性。

在量子疊加原理基礎之上，衍生出了量子的另一個奇妙特性，叫做「量子糾纏」。

比方說，甲、乙兩人分處異地，兩人同時玩一個遊戲——擲骰子，甲在一地扔骰子，每次扔一下，1/6 的概率隨機得到1 到6 結果的某一個；同時，乙在另一地擲骰子，儘管兩人每一次單邊結果都是隨機的，但每一次的結果卻是一模一樣的，就好像是雙胞胎心靈感應一樣。這就是「量子糾纏」。

若兩個量子粒子處在特殊的狀態（俗稱糾纏態）中，不管其空間分離得多遠，當對其中一個粒子施行操作或測量，遠處的另一個粒子狀態會瞬時地發生相應的改變，愛因斯坦稱這個現象為「幽靈般的超距作用」。

當時，愛因斯坦認為，怎麼會允許兩個客體在遙遠的兩地之間有這種詭異的互動呢？據此，他質疑量子理論的完備性。

1982 年，法國物理學家Alain Aspect和他的小組證實了「量子糾纏」的超距作用確實存在。

但直到2015 年，荷蘭代爾夫特理工大學物理學家Ronald Hanson 領導的團隊進行了一項被他們稱之為「無漏洞貝爾測試」的實驗，「幽靈般的超距作用」才得到比較嚴格的驗證。

有了量子糾纏，量子隱形傳輸的概念便呼之欲出。

通俗來講，量子隱形傳輸是將甲地某一粒子的未知量子態，在乙地的另一粒子上還原出來。

由於量子力學的不確定原理和量子態不可克隆原理，限制我們將原量子態的所有信息精確地全部提取出來。因此必須將原量子態的所有信息分為經典信息和量子信息兩部分，它們分別由經典通道和量子通道送到乙地。根據這些信息，在乙地構造出原量子態的全貌。

1997 年，在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸。這是國際首次在實驗上成功地將一個量子態從甲地的光子傳送到乙地的光子上。

「接地氣」的量子

多年來，科學家們努力運用量子世界種種奇異的性質開拓出適用於經典世界的新技術，將向來被公眾認為高深莫測「詭異」的量子物理從雲端落地到人世間，服務社會大眾。

其實，量子理論是一門非常實用的學科。

早在第二次世界大戰之前，它的原理就已經被運用於分析金屬和半導體的電學和熱學性質。戰後，晶體管和激光器這兩個運用量子理論原理的廣為人知的裝置，更是極大地推動了信息革命的發展。

到本世紀初，在我們的周圍隨處可見直接或間接運用量子理論的技術和裝置。 從常見的CD 唱片機到龐大的現代光纖通信系統、從無水塗料到激光制動車閘、從醫院的磁共振成像儀到隧道掃描顯微鏡……量子技術已經滲透到我們的生活中。

計算能力的飛躍，是量子理論的重要應用之一。在經典計算機中，每個比特都只有0和1這兩種狀態。但在量子計算中，每個比特可以處在0和1的疊加狀態上，一旦操縱的量子數目增多，它就會以指數增長的形式來提升運算速度，有並行運算的能力。

比如利用萬億次經典計算機分解300 位的大數需要15 萬年，利用萬億次量子計算機，只需要1 秒。同樣，在大數據和人工智慧里，求解一個億億億變數的方程組，利用目前最快的億億次「天河二號」計算機大概需要100 年左右，但是如果利用萬億次的量子計算機，只需要0.01 秒。

量子計算的應用非常廣泛，不僅可以解決大規模的計算機難題，破解經典密碼，進行氣象預報、藥物設計、金融分析、石油勘探，而且還能揭示新能源新材料、高溫超導、量子霍爾效應等複雜的物理機制。

不過，量子糾纏「分身術」的特性有一個更為直接的應用，便是量子保密通信。

現在被認為最安全的信息傳遞方式是光纖通訊。光纜能把所有的光能限制在光纖里，外面得不到能量，所以這個傳輸被認為是安全的。但隨著科技發展，只需讓光纜泄露哪怕很少一部分能量，我們就能夠竊聽光纜傳遞的信號。

這是因為經典通信的信號只有0和1，發生竊聽時，這兩種信號不會被擾動。比方說，兩人打電話時，他人可通過竊聽器從通信線路中的上千萬個電子中分出一些電子，使其進入另一根線路，從而實現竊聽，而通話者無法察覺。「稜鏡門」等事件的曝光便是最好的例證。

而量子通信則完全不會出現這個問題，這是因為其密鑰具有不可複製性和絕對安全性。一旦有人竊取密鑰，整個通信信息就會「自毀」並告知使用者。

比如，甲、乙二人要進行安全通信，甲發出的光子信息狀態有水平、豎直、45°等，假設有人竊聽，由於光子不可分割，首先竊聽者根本無法分割出「半個光子」；其次，因為單次測量測不準、不可克隆的量子態特性，竊聽者無法複製信息；第三，一旦竊聽者截獲光子，乙就收不到信息，也就不存在竊聽。

無論怎樣，根據量子力學原理，竊聽都可以被發現。一旦被發現，原有密鑰立即作廢。甲就可以把沒有被竊聽的密鑰傳送過去，利用產生的密鑰進行一次一密完全隨機的加密。所以，利用量子不可克隆和不可分割的特性可以實現安全量子密鑰分發，實現不可破譯的保密通信。

誠然，神秘的量子世界令人著迷，亦令人困惑。但對我們而言，量子世界的威力已變得不再陌生。在人類生活中，手機、電腦、互聯網等這些來自量子世界的果實無處不在。

然而，人們所感受到的量子技術還只是冰山一角。在探求量子世界奧秘的旅程中，人們仍在孜孜以求。

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