量子物理雖好，但有什麼用呢？

　　來源：科學大院

　　我們的意識還留在夢想的世界裡，但是雙腳已經踏上了陸地。

　　我們降落了……

　　每當說起量子的時候，我們總試圖給出又抽象又哲學的解釋。這種不精確又有點奇怪的理論總顯得離我們很遠，好像與日常生活沒有什麼關係。這時我們就會問：在實際生活中，量子物理有用嗎？

　　答案當然是肯定的！現實中大部分的科學技術和超過三分之一的經濟產品都是以量子理論為基礎發展起來的。當我們說到經濟和數字的時候，就像安托萬·德·聖-埃克蘇佩里在《小王子》中寫到的——我們已經實際到不能再實際了。

　　在實驗室或者歐洲核子研究組織這樣的研究機構中，人們開展的研究都是如何讓粒子的運動速度達到光速，以模擬宇宙起源時的環境。但是，如果你只想接觸量子理論，完全沒有必要來這些地方。

　　只要到一個商業中心就足夠了。

《小王子》（圖片來源：必應圖庫）

　　無法量化的並不是不存在的

　　大人們都很喜歡數字。當他們介紹新朋友的時候，幾乎從來不問朋友的最基本情況，比如他說話什麼聲音、他喜歡玩什麼遊戲、他收集蝴蝶標本嗎，等等；相反，總是問他多大了、有幾個兄弟姐妹、體重多少、爸爸掙多少錢。

　　他們認為獲得了這些信息，就算是了解朋友了。假如我們對大人說「我看見了一座漂亮的粉色磚房，窗台上擺著天竺葵，房頂上落著白鴿」，他們永遠也想像不出房子的樣子，但如果我們告訴他們的是「我看到了一座50萬美元的房子」，大人們準會激動地說：「哇，那一定很漂亮吧！」

　　——《小王子》，安托萬·德·聖-埃克蘇佩里

　　如果我們走近商業中心那些大大的玻璃門，它會像被施了魔法一樣自動打開，這個在生活中已經普遍應用的自動門就是利用了光電效應。

　　自動門上裝有一種叫作光電管的東西，它是由半導體薄片構成的感測器。當傳到感測器的光束被打斷，電動裝置就會被激活，於是門自動打開。

商場自動門（圖片來源：視覺中國）

　　假設這個商場的第一間商店專營電子產品，我們能在那裡找到很多利用光電效應的商品。貴重物品裝有的報警器、屋頂的火災報警設備也都基於量子理論。除此之外，與量子理論有關的產品還有很多，比如數碼相機、光控燈開關的感測器、用太陽能光伏板充電的計算器，等等。

　　我們繼續在這個大型量子商場里逛逛，這裡還有DVD機、CD機、激光印表機、光學滑鼠，甚至還有收銀員掃條形碼時會發出滴滴響聲的機器。

　　所有這些設備都以激光為基礎。激光，其實是受激輻射光放大的簡稱1，這也是一種建立在輻射基礎上的科技。假如沒有發現量子世界的運轉規律，這項技術也不可能得到如此的發展。

　　從電子產品到醫學外科，從測繪到軍事工業，激光的應用非常廣泛。

　　在這個商場里，不難找到其他運用量子科技的產品。我們身邊的幾乎所有東西都運用了20世紀最重要的發明之一 ——晶體管。

晶體管（圖片來源：Veer圖庫）

　　如果沒有晶體管，現代電子業也得不到發展，手機、筆記本電腦、平板電腦、收音機、電視機等，將統統不復存在。晶體管無處不在！

　　我們可以把晶體管想像成電子水龍頭，它們在電路中起到了分配和量化電流的作用。晶體管於1947年在格拉漢姆·貝爾實驗室誕生，從此取代了「真空管」。我們可以將真空管看成巨大的燈泡，它大約有一隻手掌那麼大，而現在的晶體管只有一厘米的百萬分之一那麼大。

　　最初的計算機使用的是真空管，體積大到需要佔用好幾個房間，而且價格昂貴，因此只用于軍事領域。

　　有了晶體管之後，晶元就誕生了，它實現了電路的小型化。從此之後，曾經那般巨大的電腦才有可能縮成公文包大小。

電腦晶元（圖片來源：Veer圖庫）

　　如今，晶元被廣泛應用在電腦之外的很多地方，讓許多產品發生了巨大的變化：座機電話變成了手機，傳統相機變成了數碼相機，唱片機變成了MP3，紙質書報變成了平板電腦上能看的電子書。

　　所有工業產品的革新都得益於這項神奇的技術，這都是量子理論帶給我們的！

　　其實量子理論也不僅應用於電子產品，引導醫學革新的核磁共振成像也同樣是量子科技進步的成果。

核磁共振成像（圖片來源：Veer圖庫）

　　在商業中心逛了一圈之後，我們已經了解了量子理論在生活中的應用。

　　現在又是幻想的時候了。如果說領會量子世界的秘密已經讓我們走到了這裡，那麼我們即將擁有的勢必更加振奮人心。

　　第二次量子革命

　　如今，我們不僅了解了材料的構成，而且還實現了不少創舉，比如控制單獨的原子、解密遺傳密碼。對材料的掌握程度正改變著人類看待世界和看待自己的方式。

　　量子學和生物技術之間的關係日趨緊密，量子技術在醫學領域得以應用，比如利用量子點進行的放射療法（靶精確瞄準癌細胞，避免健康細胞遭到破壞）。

　　下面來看幾個第二次量子革命的成果。

　　1、量子計算機

　　電腦的性能取決於集成電路晶元的數量。英特爾的合夥創始人戈登·摩爾在1965年提出了摩爾定律，預測集成電路上可容納的晶體管數目大約每18個月便會翻倍。

　　這種增長是指數級的，讓人難以想像，因為我們的頭腦更習慣於進行線性計算。為了更形象地說明這一點，我們只要知道，現在隨便一個人口袋裡手機的性能，都比美國國家航空航天局第一次發送人類登月時用的計算機的性能強好多就行了。

　　但是依據摩爾定律，這種增長有一個界限：當晶體管小到原子大小，就不再適用了。到那時，量子力學中那些最奇特的法則就會生效，比如電子會因為「隧穿」跑到電線之外，那短路就是必然的結果。

　　這便是量子計算機投入使用的時刻了。

　　在傳統計算機中，信息的最小單位是比特，也就是二進位，用「0」和「1」表示；在原子世界中，量子計算機運用的量子計算單位是量子位元，是「0」和「1」的量子疊加。

（圖片來源：視覺中國）

量子力學中的「疊加」（圖片來源：http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081-p2.shtml）

　　由於量子位元有能力同時處理不同狀態的任務，因此我們可以利用它同時完成疊加任務，就好像我們的電腦同時在多個世界中運行一樣，大大縮短了得到最終答案的時間。

　　用量子計算機可以瞬間解決的問題之一就是因式分解。

　　我們在網購的時候，有時會用到信用卡，信用卡的信息需要在這一過程中做彙編處理，從而避免盜刷，而因式分解是這種編碼處理的基礎。分解一個較小的數字還相對簡單，12可以被輕鬆分解成3和4。但當數字相當大的時候，問題就會發生本質的改變。如果讓普通計算機分解一個上百位的數字，誇張點說，可能需要花上一個世紀的時間。

　　但這並不是量子計算機的主要任務。

　　正如我們能想到的，將解密信息的功能運用到任何一個國家的情報機關都是非常有吸引力的，而量子計算機馬上就能讓它成真——這已經不是一個「科幻的」美夢了。

　　現如今，很多研究中心都已經開始使用量子計算機做運算了，比如賽斯·勞埃德工作的麻省理工學院，以及由西班牙人伊格納西奧·希拉克領導的德國馬克斯·普朗克量子光學研究所。

　　不過，雖然這個研究領域的發展速度已經比預期快得多，但目前通過量子計算機處理完成的任務依然是十分基礎的問題。

　　例如滑鐵盧大學的研究團隊已經能成功控制12量子位元，這相當於二進位中的1000比特，或者相當於一台50年代的計算機。這個數字聽起來有點讓人灰心，但其實能控制的量子位元只要達到60或者70，量子計算機的計算能力就會超過世界上所有計算機計算能力的總和。

量子計算機（圖片來源：必應圖庫）

　　如今的量子計算機就像普通計算機誕生之初的樣子，體積大到要佔據好幾個房間。量子技術面臨的最大挑戰就是我們之前提到過的退相干——讓脆弱的量子態能夠保持一會兒，而不是一與外界環境接觸就被破壞，這樣我們才有可能對其進行處理。

　　這些新科技的應用可能會造成一些恐慌，譬如我們的隱私信息還是隱私嗎、使用量子計算機的人是否會輕而易舉地窺探我們的隱私？

　　俗話說得好，上有政策，下有對策。有了量子物理學，就相當於有了一個新的加密系統。與傳統的加密系統不一樣，它利用了因式分解的原理，所以是絕對安全的。

　　2、量子密碼學

　　量子物理能夠讓我們利用它奇怪的特性，用安全的方式給信息編碼。有很多關於量子密碼的協議，我們現在只介紹兩個原始的：BB84協議2和E91協議3。

量子密碼學（圖片來源：必應圖庫）

　　BB84協議的名稱來源於創造者查爾斯· 貝內特（Charles Bennett）與吉勒斯·布拉薩德（Gilles  Brassard）的姓氏首字母。它大膽運用了波函數的疊加和塌縮原理，也就是之前提過的那個「觀察和測量會改變數子狀態」的奇怪現象。

　　試想，愛麗絲想要發給鮑勃4一條秘密信息。她害怕善妒的伊娃看到信息內容，於是決定給鮑勃發送一組密鑰—— 一組他們用作通信符號的密碼，這樣他們就可以隨意通信，避免他們發布的任何信息被人竊取。

　　假如愛麗絲利用一個傳統的通信渠道，比如一隻信鴿、無線電信號等，那麼伊娃就可能截取密碼。有了密碼，伊娃就可以輕鬆破解愛麗絲傳遞給鮑勃的信。

　　假如愛麗絲能利用量子世界的特性，那麼一切就會截然不同。她可以將信息存儲到量子粒子上，一旦伊娃截取了信息，那麼她對粒子的觀察或者測量就會改變粒子狀態，原始編碼也就被破壞了。

　　當鮑勃拿到被伊娃截取過的密鑰的時候，就會發現已經有人在他之前看到過密鑰。這樣，伊娃截取密鑰的事實就暴露了。

　　愛麗絲和鮑勃這時需要做的就是放棄這組密鑰，繼續發送新的密鑰，直到確定一個沒有被伊娃截取的密鑰。一旦有了新的密鑰，他們就可以自由而安全地交流了，因為只有他們兩個有通信符號。

量子密鑰分發（圖片來源：http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081-p5.shtml）

　　E91協議利用的是量子物理學的另外一個現象：量子糾纏態。

　　為了不讓伊娃截取密鑰，愛麗絲這次利用了愛波羅悖論來複制量子隱形傳送。

青海湖湖心島的百公里級量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗（圖片來源：http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081-p6.shtml）

　　將密鑰通過量子隱形傳送的方式傳給鮑勃，就不會有任何人能夠截取它，因為隱形傳送不需要藉助任何通道，信息可以直接「出現」在收件人的手上。

　　下面就來具體介紹一下利用糾纏態的量子隱形傳送。

　　儘管量子加密聽起來還有點像科幻小說里的內容，但現在已經有一些公司提供這樣的商業服務了，比如日內瓦大學研究團隊創立的Id  Quantique公司。2007年的瑞士大選就運用了量子加密模式來保證投票的安全。

　　3、量子隱形傳送

　　對乾坤大挪移的想像早已存在，這在很大程度上來源於科幻故事或武俠小說。我們多麼想忘掉汽車、飛機以及任何一種交通工具啊！很多人都會想到《星際迷航》中的那句經典台詞：「斯科提，把我傳送上去！」

《星際迷航》中的傳送術（圖片來源：http://www.sohu.com/a/116457213_458808）

　　雖然人類的隱形傳送還僅限於想像的世界，但量子的隱形傳送已經實現了。

　　1993年，一個研究團隊利用量子世界的特性，提出了實現量子隱形傳送的理論基礎。4年之後，以奧地利著名物理學家安東·蔡林格為首的研究團隊首次實現了光子的隱形傳送。

墨子號」-阿里地面站量子隱形傳態實驗現場圖（圖片來源：https：//news.cnblogs.com/n/615671/）

　　《星際迷航》中會用幾台神奇的機器掃描將要被傳送的物體，以便在目的地重塑它。實際上，量子隱形傳送和我們在電視劇中看到的情況還是有所不同的。

　　量子力學在這裡給我們出了一個難題。海森堡不確定性原理告訴我們，電子的位置和速度無法同時被準確測量，因此我們無法精確地掃描一個人或一個東西，然後在另外一個地點重塑它們。

　　量子隱形傳送利用糾纏態避免了這個問題。

　　試想愛麗絲想從地球將一個物體（在實踐過程中，物體會被縮小成幾個原子，但是為了舉例方便，依然使用「物體」這個詞）傳送到阿爾法空間站這麼一個特殊的地方，她的朋友鮑勃在那裡。

　　愛麗絲將要傳送的物體放在粒子拼盤中，這些粒子和鮑勃所在的空間站的粒子拼盤處於糾纏態。在特定時刻，鮑勃空間站里的粒子就會還原為初始對象，量子隱形傳送就實現了 。

　　這個過程有很多值得推敲的細節。第一點是，我們傳送的究竟是信息（或者說量子態），還是物體本身？我們需要鮑勃拿到的粒子拼盤和被傳送物體的質量相同。

　　第二點是，我們說的是量子隱形傳送，而不是量子複印機。這要求不對被傳送物體進行任何複製，傳送任務實現的時候，也是原始物體自毀的時候。針對這一問題，量子力學中有一個定理叫不可克隆定理，即禁止對一個物體進行完全複製。

　　雖然人類的隱形傳送仍然停留在科幻小說中，但這項技術很快就會在信息加密中有所應用。

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