身邊這樣平凡的「量子力學」你注意到了嗎？

說起量子力學，相信大家都有所耳聞。相比其他物理學科，量子力學似乎格外受人們青睞。的確，量子力學似乎更能激發起人們的興趣——它為我們展示了一個奇異而美妙的微觀量子世界。近年來，隨著科技的進步，量子力學不再高高在上處在我們不可觸及的地方，而是開始漸漸地開始應用，走進我們的生活中，我們驚奇地發現，量子力學其實就在我們身邊。

在「量子」概念被熱炒的今天，不可否認的是，很多人對量子力學的概念所知甚少，以致很容易被同樣一知半解的媒體所誤導，對這門嚴謹而又充滿前景的學科產生多多少少的誤解，這是我們不願看到的。

當談起量子力學時，我們會想起什麼？

想必很多人首先會想起只「薛定諤的貓」——量子力學的奠基人之一，奧地利物理學家薛定諤於1935年提出了這個至今被大家津津樂道的思想實驗。

緊接著會聯想新聞中看到的「量子通信」這一概念——我國於2016年8月16日發射了名為「墨子號」的量子通信衛星，將在世界上首次實現衛星和地面之間的量子通信。

「墨子號」的量子通信衛星（圖片來源於網路）

在說這隻貓與這枚衛星之前，我們都需要補充一些量子力學的理論，然後我們再試著以一個嚴謹的科學的姿態，利用「量子」的觀點去了解它們。

爭論至今的理論與薛定諤的思想實驗

量子力學最為人稱奇的概念當屬「觀測-坍縮」理論。

舉例說明。假設這裡有一種具有放射性元素（有放射性意味著可能發生衰變），我們拿出其中一個原子，用於觀測它的衰變現象。根據我們的經典認知，在某一個時刻，這個原子要麼是衰變了，要麼沒衰變，這是非常顯然的。然而，量子力學的觀點告訴我們，在觀測前，這個原子一直處在「衰變/沒衰變」的疊加態，直到我們去進行觀測，這個原子才會確定為其中一個狀態，物理學家們稱原子坍縮到了這個狀態。

你一定會覺得不可思議：一個原子怎麼可能處在兩個不可能同時發生的事件（衰變/沒衰變）的疊加狀態呢，這到底是一個什麼樣的狀態？而且，為什麼只要它進行觀測，這個原子就又會乖乖的回到其中一個狀態中去呢？

薛定諤也是這麼想的。於是它構想出了現在我們稱之為「薛定諤的貓」的思想實驗。設想有一個密封的盒子，裡面放著一瓶毒氣和一隻貓。在毒氣瓶旁放著一個小鎚子，有一個精巧的裝置控制著它——這個裝置可以檢測一個放射性原子是否發生衰變，如果原子發生衰變，它會控制鎚子敲碎毒氣瓶，盒子里的貓會被毒死。我們將一個可衰變的原子放進這個裝置，量子力學告訴我們，如果我們不對這個原子進行測量，它將處於「衰變/不衰變」的疊加態，也就是說，在這個實驗中，如果我們不打開盒子進行測量，這隻貓將處於「死/生」的疊加態。

（圖片來自網路）

聽了薛定諤老先生的實驗，你可能認為量子力學背後蘊含著很多哲學觀點，覺得量子力學是唯心的等等，將量子力學神秘化。但是仔細想來，這實際上只是一個偷換概念的把戲——薛定諤只是通過一個假想的裝置將量子態的疊加對應到宏觀中狀態的疊加。然而宏觀體系本身不允許處在一個由不同態構成的線性組合的態，一個人不可能處於生和死這兩種狀態的疊加，人或者生命體也沒有所謂的「基本狀態」可言。當年薛定諤他老人家提出這個思想實驗，是為了向人們講述坍縮現象是多麼詭異，並沒有其他任何唯心主義思想觀念在裡面。

「測量-坍縮」的思想量子力學的基本假設之一。量子力學允許一個量子體系處在很多「基本」狀態的疊加狀態下。而且，對於一個量子體系，不管它處於怎樣複雜的疊加狀態，只要有人觀測，它會立即「坍縮」到其中一個基本狀態，如果緊接著再進行下一次觀測，它將仍然處於這個基本的狀態。

這就像是說，有一個亂鬨哄的教室，紙團亂飛，學生也隨意走動。就在這時，老師走到了門外。就在老師推門的一剎那，教室里的同學們像提前知道老師要來一樣，迅速整好書桌，回到自己的座位認真學習，速度之快，以至於老師只看到同學們在努力學習的樣子。老師看到大家認真學習的樣子很是高興，轉身離開。走到一半，老師放心不下，又回去看了一眼，教室依舊非常寧靜祥和，同學們依然在刻苦用功地學習。老師欣慰地點了點頭，滿意地回到了辦公室。然而，在確認老師離開後，調皮的學生們又重新開始了教室狂歡。

量子糾纏與量子通信

目前我們已經知道，對於一個量子系統，如果檢測，就會「坍縮」到其中一個基本態。接下來，我們要講述量子力學更為神奇的一個概念，量子糾纏。

是不是聽名字總感覺在某些科幻電影裡面見過？的確，「量子糾纏」是屬於未來的科技。關於它的理論構建與應用是目前很多從事量子力學的科學家們正在研究的課題。

量子力學允許兩個量子態以某種形式產生「糾纏」，所謂「糾纏」。是指兩個量子態雖然分開，但是仍存在著一些聯繫。對於處於糾纏態的兩個粒子A與B，我們將它們分開，這時，如果我們對A進行測量，根據之前所說的，A將坍縮。但緊接著，B似乎感受到了A的行為，同時發生坍縮。我們有理由相信，兩個粒子通過某種方式，進行了某些信息上的交流。糾纏概念最先由愛因斯坦、波多爾斯基、羅森三人提出的（糾纏態也叫做EPR態，取三位的首字母）。隨著科技的進步，人們漸漸發現了量子糾纏蘊藏著巨大的前景。

試想，A、B兩地放著一對相互糾纏的量子系統，那麼理論上，A可以通過對這個量子系統的作用，將一定的信息傳到與之相糾纏的B處。如果能夠實現這種「量子通信」，那麼它將實現絕對保密通信。

目前我們使用的保密通信一般是建立在計算複雜度的基礎上，不斷提高計算複雜度使得破解方面對龐大的計算束手無策，但終究存在理論上的破解可能。但是量子通訊從理論上杜絕了破解信息的可能行（至少目前沒有任何辦法），這足以讓通信保密領域的專家激動到睡不著覺。但是量子通訊仍然處在理論階段，要想真正應用到生活當中，不論是技術還是理論，都由很長的一段路要走。值得一提的是，我國科學家在量子通信的領域取得了不錯的成果，躋身世界前列。我國發射的「墨子號」就是世界上首顆量子衛星，用來驗證能否利用量子通信的原理，實現天地間的通信。在這裡我們也祝願中國的科學家們再接再厲，讓中國成為量子通信領域的領頭羊。

關於量子糾纏，至今還有很多未解的謎題。我們仍然不清楚這兩個粒子是怎樣互通消息的，科學家們正在想辦法搞清楚這個問題。兩個粒子間的信息傳遞速度也是讓科學家疑惑的地方，因為它似乎有超越光速的可能。我們知道，相對論告訴我們，任何物體或者信息是不能超過光速的，但是如果實驗上證實了兩個相互糾纏的粒子間信息的交換確實可以超光速，那麼將是物理學界的一場翻天覆地的革命。正因如此，愛因斯坦將其稱之為「幽靈般的遠程效應」。

科學的革新給生活帶來質的飛躍

科學技術是第一生產力。回望歷史，每一次技術的革命，都帶來人民生活質的飛躍。從蒸汽到電氣，科學技術的發展與我們的生活息息相關。

如今我們正處在科技的瓶頸期，很多科技的發展都遇到或多或少的困難。因此我們亟需一些新的理論知識與技術來突破瓶頸，而量子力學可能是個最大的突破點。現如今，量子通信正在蓬勃發展，量子計算機也處在萌芽階段。我們已經無法將量子力學束之高閣，不知不覺地，量子力學已經走到了我們身邊。

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主編圈點：量子力學不會再被束之高閣了，現如今量子通信的蓬勃發展會讓量子力學這門艱澀的理論走入尋常百姓家，為越來越多的人所知曉。

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