新華社安徽10月19日消息，19世紀(jì)末，法國(guó)一些學(xué)者覺(jué)得從牛頓熱學(xué)到熱力學(xué)、電磁理論，人類(lèi)的“物理學(xué)大樓”已全部建成，再?zèng)]有多少可研究的了。
然而，在1900年，美國(guó)化學(xué)學(xué)家馬克斯·普朗克提出了量子理論，為人類(lèi)開(kāi)啟了探求“微觀世界規(guī)律”的“新化學(xué)革命”。量子理論也與相對(duì)論一起，成為現(xiàn)代數(shù)學(xué)學(xué)兩大支柱。
打開(kāi)“量子之門(mén)”：微觀世界里的奇妙“疊加”與“糾纏”
量子是哪些？依照量子理論，量子是最小的、不可再分割的能量單位。我們學(xué)校數(shù)學(xué)書(shū)上提及的分子、原子、電子，雖然都是量子的不同方式。可以說(shuō)，我們的世界由量子組成，我們每位人都是“24K”純量子產(chǎn)品。
在我們?nèi)粘Ｉ畹暮暧^世界里，物體的位置、速度等，都可以通過(guò)精典熱學(xué)精確測(cè)算。但在微觀量子世界里，卻有著迥然不同的奇妙化學(xué)規(guī)則，最有代表性的是“疊加”與“糾纏”。
在宏觀世界，任何物體在某一時(shí)刻都有確定的狀態(tài)和位置。但在微觀世界，量子卻同時(shí)處于多種狀態(tài)和多個(gè)位置的“疊加”。
化學(xué)學(xué)家薛定諤曾用一只貓比喻量子疊加：袋子里有一只貓，在宏觀世界中它要么是活的，要么是死的。但在量子世界中，它可以同時(shí)處于生和死兩種狀態(tài)的疊加。
假如用一個(gè)人來(lái)比喻，他除了同時(shí)處于生和死兩種狀態(tài)的疊加，還可以同時(shí)身處多個(gè)地點(diǎn)，例如既在上海又在重慶。
更無(wú)法想像的是，量子的狀態(tài)還經(jīng)不起“看”：假如你去檢測(cè)，它都會(huì)從多個(gè)狀態(tài)、多個(gè)位置，弄成一個(gè)確定的狀態(tài)和位置了。也就是說(shuō)，假如你打開(kāi)“薛定諤的袋子”，貓的疊加態(tài)才會(huì)消失，你會(huì)看見(jiàn)一只活貓或一只死貓。而“量子人”的“分身術(shù)”也會(huì)消失，他會(huì)出現(xiàn)在上海或南京。
疊加已然很奇妙，但當(dāng)兩個(gè)量子“糾纏”在一起，那個(gè)奇怪連愛(ài)因斯坦都無(wú)法接受。
依照量子理論，假如兩個(gè)量子之間產(chǎn)生“糾纏態(tài)”，這么無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)一個(gè)量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)也會(huì)“瞬間”發(fā)生相應(yīng)變化。愛(ài)因斯坦曾把這一現(xiàn)象叫做“鬼魅般的超距作用”。
從“被動(dòng)”到“主動(dòng)”量子物理講的是什么，兩次“量子革命”深刻改變?nèi)祟?lèi)文明
量子理論誕生一百多年來(lái)，國(guó)際學(xué)界運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)和物理方式檢驗(yàn)均發(fā)覺(jué)，量子的奇妙特點(diǎn)客觀存在。
“量子熱學(xué)是一個(gè)神秘的、令人飄忽不透的學(xué)科，我們誰(shuí)都談不上真正理解量子物理講的是什么，只是曉得如何去運(yùn)用它。”美國(guó)化學(xué)學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者穆雷·蓋爾曼曾這樣說(shuō)。
“量子理論的出現(xiàn)，在上世紀(jì)引起第一次量子革命，催生了現(xiàn)代信息技術(shù)。”中科院教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院常務(wù)副院長(zhǎng)潘建偉介紹，基于量子理論，核能、激光、半導(dǎo)體等科技得以問(wèn)世，因而發(fā)展出計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)等重大應(yīng)用。
步入21世紀(jì)，量子領(lǐng)域的新發(fā)覺(jué)、新理論、新技術(shù)密集涌現(xiàn)，喻示著“第二次量子革命”已步入加速期、起跑期。
“第二次量子革命的鼓聲已叩響！”英國(guó)《自然》雜志評(píng)論說(shuō)。
“第一次量子革命，人們只問(wèn)量子理論能讓我們做哪些，不去問(wèn)為何，是被動(dòng)的觀測(cè)與應(yīng)用。”中科院教授、中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室處長(zhǎng)郭光燦說(shuō)，第二次量子革命則是主動(dòng)借助量子特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出量子通訊、量子估算和量子精密檢測(cè)等創(chuàng)新應(yīng)用。
這種應(yīng)用的革命性在那里？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，量子通訊可以在理論上做到通訊的絕對(duì)保密，量子估算可以令人類(lèi)的運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)下降，例如傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)須要數(shù)萬(wàn)年才會(huì)破解的復(fù)雜密碼，量子計(jì)算機(jī)幾秒鐘內(nèi)才能破解。傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)最小只能偵測(cè)到微米量級(jí)，而量子檢測(cè)可以進(jìn)一步精細(xì)千倍、萬(wàn)倍達(dá)到原子量級(jí)。
中國(guó)量子崛起，美好未來(lái)可期
現(xiàn)在，量子科技已成為國(guó)際上風(fēng)起云涌的戰(zhàn)略科研方向。近日，歐共體擬投資80億美元支持新一代超級(jí)估算技術(shù)，量子估算是其中重要內(nèi)容。日本開(kāi)通國(guó)家量子協(xié)調(diào)辦公室網(wǎng)站，并發(fā)布了聚焦八大研究領(lǐng)域的《量子前沿報(bào)告》。
而經(jīng)過(guò)三十多年努力，中國(guó)已崛起為國(guó)際量子科研版圖上的重要力量，在多個(gè)戰(zhàn)略方向上實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑或步入第一陣營(yíng)。
近些年來(lái)，我國(guó)多次創(chuàng)造量子比特糾纏數(shù)目的世界紀(jì)錄；發(fā)射世界首顆量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，實(shí)現(xiàn)千里糾纏、星地傳密、隱形傳態(tài)三大科學(xué)目標(biāo)；開(kāi)通世界首列量子保密通訊干線“京滬干線”，實(shí)現(xiàn)世界首次洲際量子保密通訊。
當(dāng)前，量子科技已步入“產(chǎn)業(yè)化前夜”。展望未來(lái)，量子估算有望為抗生素研制、能源鉆探、金融剖析、氣象預(yù)報(bào)等大規(guī)模估算提供全新方案；量子檢測(cè)發(fā)揮檢測(cè)精度、靈敏度優(yōu)勢(shì)，有望在科研、醫(yī)療、能源、災(zāi)害防治等領(lǐng)域大顯身手；量子通訊融合量子估算技術(shù)，構(gòu)成高速、安全的“量子互聯(lián)網(wǎng)”，與人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)相結(jié)合，可為人類(lèi)生活平添無(wú)限可能。
（原題為《科普：量子是哪些？從“微觀世界規(guī)律”到人類(lèi)“新數(shù)學(xué)革命”》）