量子十問之一：量子究竟是什麼？

　　來源： 中科院物理所

　　作者：郭光燦 （中國科學技術大學）

　　我在20 世紀80 年代初期開始致力於量子光學研究，90 年代初又擴展到剛剛萌芽的量子信息領域。當時國內學術界對量子信息領域的研究呈現出相當冰冷的狀態，民眾更是將量子力學視為高懸在學術殿堂之上的聖物，敬而遠之。

　　近幾年來，隨著量子信息的飛速發展，加上媒體的大力渲染，「量子」已成為人們津津樂道的話題，有的甚至將「量子現象」描繪得神秘無比，彷彿世界上所有難以解決的事情都可歸結到「量子糾纏」上。個別學者不實的誇大宣傳，部分媒體的不斷炒作，造成當前關於「量子世界」形形色色的奇談怪論，引發各界激烈的爭論。

　　究竟量子力學能為人類提供什麼真實有用的技術？目前宣傳的量子現象，哪些是科學的預言，哪些是杜撰出來的虛無之物？在學術界朋友的催促下，我將媒體種種議論匯聚為十個問題，談談個人的看法。畢竟量子世界奇妙無比，沒人敢斷言已完全參透了量子世界的真髓。「量子十問」系列科普短文只不過是一孔之見，供讀者參詳、爭論。

　　我要感謝中科院量子信息重點實驗室的周正威、孫方穩、李海歐、周宗權等師生的通力協助，才能在較短時間內撰寫好這一系列科普文章。

　　1900 年，普朗克首次提出量子概念，用來解決困惑物理界的「紫外災難」問題。

　　普朗克假定，光輻射與物質相互作用時其能量不是連續的，而是一份一份的，一份「能量」就是所謂量子。從此「量子論」宣告誕生。

　　然而當時的物理界，包括普朗克本人，都討厭「量子」這個怪物，千方百計想要將它消化在經典物理的世界之中，但卻屢試不果。唯有愛因斯坦獨具慧眼，他認為光輻射不僅在於與物質相互作用時的能量是一份一份的，光輻射的能量，本身就是「量子化」的，一份能量就是光能量的最小單元，後來稱之為「光量子」，或簡稱「光子」。

　　法國年輕的博士生德布羅意在愛因斯坦「光子」概念的啟發下提出：既然看似波動的光輻射，具有「粒子」特性，那麼像電子這類看似「粒子」的物質，也應具有波動性。這就是「德布羅意物質波」的概念，由此引發後繼大量理論與實驗研究，證實所有微觀粒子都同時具有波動性和粒子性二象性。這些奇異特性的微觀粒子構成「 量子世界」，遵從量子力學的運動定律。

普朗克 德布羅意 費曼

　　隨著科學技術的發展， 人們認識到「量子世界」不僅限於微觀和單個粒子，某些宏觀尺度下的多粒子系統也遵從量子力學規律。例如玻色—愛因斯坦凝聚（BEC），當原子聚合的溫度足夠低時，所有處於不同狀態的原子，會突然聚集在同一個儘可能低的能量狀態上，其行為就像一個「放大」的玻色子，遵從量子力學規律。

玻色—愛因斯坦凝聚（圖片來自網路）

　　我們按物理運動規律的不同，將遵從經典運動規律（牛頓力學，電磁場理論）的那些物質所構成的世界稱為「經典世界」，將遵從量子力學規律的那類物質所構成的世界稱為「量子世界」。「量子」就是量子世界中物質客體的總稱，它既可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是BEC、超導體、「薛定諤貓」等宏觀尺度下的量子系統，其共同特徵就是必須遵從量子力學的規律。

　　舉一個例子說明「 量子」 與「經典」的本質區別。經典世界的特點是物體的物理量、狀態在某個時刻是完全確定的：晶體管要麼導通，要麼關閉，完全確定。即經典信息要麼是0，要麼是1，毫不含糊。但量子世界中，客體的物理量則是不確定的、概率性的，而且這種不確定性與實驗技術無關，是量子世界的本質特徵，無法消除。這個特徵體現在量子力學中重要的量子態疊加原理上。

　　量子態記作|ψ> ，是科學家引進量子力學中用來描述量子系統的狀態，其運動規律是薛定諤方程。

　　量子態又稱波函數或幾率幅，它沒有任何經典對應。雖然人們並不喜歡量子世界的這種描述，因為它與我們所熟悉的經典世界截然不同，但一百多年來所有實驗都證實了量子力學的所有預言，人們不得不承認這種描述是正確的。

　　著名物理學家費曼說，「量子力學的奧妙之處就是引入幾率幅|ψ> 」。

　　假定量子客體有兩個確定的可能狀態0 或者1， 通常寫成|0> 、|1> ，由於量子狀態（寫成|ψ> ）是不確定的，它一般不會處於|0> 或|1> 的確定態上，只能處於這兩種確定態按某種權重疊加起來的狀態上，這就是量子世界獨有的量子態疊加原理，用數學表示為|ψ> = α|0>+ β|1> 。其中α，β為複數，且滿足|α|2 + | β|2 = 1 。

　　量子信息以|ψ >為信息單元，稱為量子比特。這從根本上區別於經典信息，後者以|0> 或|1> 為信息單元，俗稱比特。

　　正是量子態|ψ> 的種種奇異特性導致量子信息技術的性能可以突破經典的物理極限，為人類開拓新一代的信息技術。

　　事實上，量子力學的所有奇異特性正是源於這個幾率幅。當然，近百年來對量子力學爭論不休也在於這個幾率幅（量子態）。

　　目前，網路上流傳什麼「量子肥料」、「量子水」等忽悠人的詞，將來還可能出現「量子炸彈」、「量子導彈」……這些忽悠大眾的名詞將本應光輝純潔的學術領域炒作得烏煙瘴氣，真假不分，魚目混珠。

　　其實，人們只要搞懂「量子比特」的本質，就可以戳穿「假量子」的騙局。簡單的判據就是看它是否應用到「量子比特」，即|0> 和|1> 的疊加態。

　　例如，激光測距實驗，從目標反射回來的光束，其強度隨距離不斷衰減，當探測器無法探測到光時，就是最長的測量距離。當然，如果採用單光子探測器，則測量距離必然增長。

激光測距（圖片來自網路）

　　這裡測到的是單個光子，是否可以稱它為「量子測距」呢？

　　答案是否定的，因為它沒用到光子的量子態，這只是將測距靈敏度提高到極限而已，仍屬於經典範疇。密立根當年在實驗上測量單個電子的電荷，雖然採用單個電子，但這仍然屬經典物理實驗，因為在該實驗中，「單電子」只是作為電荷最小單元，而未涉及到任何量子特性。

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