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量子熱似乎是最準確的理論，而且我們見過的最準確的測試結果都是量子熱產生的，所以量子熱一點也不可怕。
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該視頻于2021年9月17日發布，觀看次數已達47,000次
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【9月11日19:00，我在名日頭條/香蕉視頻/抖音進行多平臺直播，聊量子技術的現在和未來。 我們把直播的精彩片段剪輯成了視頻，一共兩集，這是第一集。 】
明天我們要講的話題是量子信息原理與技術。 這是我講得最多的硬科技領域。
大家都知道，量子信息這幾年已經成為一個非常熱的詞。 例如，2016年8月16日，中國發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。 巨大的公眾時尚。
然后第二年，2017年9月29日，我們開通了世界上第一條量子保密通信干線，叫滬寧干線。 之后，去年年底，2020年10月16日，量子信息再次火爆，因為中央政治局集體研究量子技術，讓全省人民都知道了。 隨后今年12月，“九章”光學量子計算機在全球范圍內進行放映。 你們都知道我們已經制造了一個非常重要的光學量子計算機。
所以在量子信息這么火的時候，有很多人形成了各種夸張的幻想，比如認為這個量子通信是一種比光速更快的通信，認為是一種空間跳躍，然后對于量子計算機來說，被認為是無所不能的。
之后，我得出了另一個觀點，那就是很多店抓住了這個商機，推銷各種所謂的量子健康產品。 能量膠囊、量子美容噴霧、量子美容品，他問我這些東西是真的嗎？
我回答說都是假的，都是騙局。 之后，因為誤導性的東西太多，有些人會往另一個方向思考，有些人認為整個量子科學是偽科學，或者不是。 是假的，然后他們就覺得潘建偉他們都是騙局，那么如何理解這個現象呢，明天我們來講講什么是真正的量子科學。
比如你聽到反對量子信息的（文章），總會有這樣的。 第一篇是你經常聽到的一個非常神奇的文章標題，說“我們的認知再次崩潰了，我們所知道的世界可能根本不存在”。
著名生物學家施一公教授表示，這實際上是誹謗。 施一公從來沒有說過這句話。 一首，施一公已經辟謠了。
事后所謂的《掃清謊言和輕罪，迫使潘建偉教授走出迷途》的作者是上海化學大學退休班主任王國文。 這個王國文幾年來一直在批評潘建偉，在他眼里，潘建偉所做的一切都是偽科學，而這種人也引起了輿論的極大混亂。
去年下半年，央視焦點訪談記者也來問我，說他們收集了市面上很多所謂的量子保健品，叫什么量子美容噴霧，還有哪些各種量子美容艙。 這種東西是假的，我說都是假的，量子不是用來做這些民用技術的，那什么樣的才是真正的量子技術呢？
我可以告訴大家一個好消息，那就是中國科學技術出版社即將出版我的書，叫《量子信息簡報》，這本書是給大家系統介紹量子信息領域，通過閱讀這本書你可以完全回答常見的量子信息問題，而且你會知道所有的原理，所以你應該盡快看到我的書。
所以最基本的問題是，量子到底是什么？ 因為它叫“子”吧？ 很多人立即認為量子應該是粒子。 大家通常都知道電子、質子、中子、中微子等都是粒子。 他們的第一反應是問量子是什么類型的粒子。 與那些電子、質子、中子、中微子相比，它是大還是小？ 最基本的答案是，這個問題本身就是錯誤的。 這個量子根本不是這個意思。 量子不是粒子。 正確的理解是什么？
量子是離散變化的最小單位，這是它的精確定義。
什么叫離散變化？ 最典型的表現就是像右圖，就是走上臺階。 上臺階的特點就是可以上一級、兩級、三級，不能上半級吧？ 走上半步就摔倒了，那你就進診所了吧？ 我們平時數未來人數的時候也是如此。 你可以數一個人、兩個人、三個人，不可能有半個人吧？ 這些稱為離散變化。
那么對于這些??離散的變化來說，變化最小的網格就是一個量子，所以對于上升一步來說，一步就是一個量子，對于人數來說，一個人就是一個量子。
因此，當我們談論量子這個詞時，我們必須說它指的是某物的量子。 例如，光子是一個光量子，也就是說我們通常看到的一束光，是由很多光量子組成的。 光的量是一個光子。 此后，電子首次在陰極射線中被發現。 例如，我們看下面的圖片。 19世紀末，約瑟夫·約翰·湯姆森（John）首先發現電子當時以陰極射線的形式出現，這樣一束射線從陰極射出，你可以用磁鐵將它偏轉，這表明它帶負電。
現在我們知道陰極射線好像是電子數，是由1個電子組成的，可以有1個電子，2個電子，不能有半個電子，所以電子就是陰極射線的電子，陰極射線的量子，所以請記住，每當我們提到量子時，它一定是指某物的量子，并且不存在稱為量子的特定粒子，所以你不可能問量子與電子有何關系、質子和中子。 無論大小，這個問題本身就是錯誤的。
那么在微觀世界中，有一大類現象，它們都是量子化的，也就是說它們是離散變化的，也就是不連續變化的。 例如，氫原子的基態是世界上最小的原子。 它只有一個電子，那么這個電子，它能夠出現的能量是離散的，比如最低的能量是-13.6eV，圖中的單位是eV，eV是什么意思，它是-伏特，它是電子伏特，它是一個當前標準1的最低能量單位是-13.6eV。在上一節中，第二個是-3.4。 負3.4是怎么來的？ 是-13.6乘以4，即乘以2的平方，下一位乘以3的平方，最后一位乘以4的平方，即第n次能量是-13.6eV乘以n的平方量子物理學理論是誰提出的，它不是等寬的，確實是離散的，也就是說，你可以在這里面取n從1到任何值，并且中間不會有能量，例如，你不會出現-11eV吧？ 所以對于這些不連續的變化，我們稱之為量化。
因此，這個微觀世界的本質特征之一就是許多化學量都是量子化的，于是就有了一整套龐大的基礎數學學科，叫做量子熱，它最早出現在1900年。是誰（提出的）？
右邊這個人就是普朗克，日本化學家普朗克，1900年第一個提出量子熱。他第一個發現了一種叫做Arial輻射的化學現象。 這個Arial輻射其實就是，現在我知道它是發射光子，也就是發射電磁波，而且上面的能量一定要一一分配，不是說要花多少錢，而是說它可以只發出一個、兩個、三個，并不能這是一個突破性的發現，所以在1900年普朗克首先提出了量子熱，后來很多科學家都對量子熱做出了貢獻。 到了20世紀30年代，量子熱的理論框架基本完善。
有人為此做出貢獻嗎？ 因量子熱獲得諾貝爾獎的人有很多，如愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森堡、薛定諤、狄拉克、玻恩、泡利等。
后來量子熱出現之后，你把牛頓熱之前我們熟悉的熱叫做經典熱，現在叫做經典熱，所以量子現在更多的是一個形容詞，經典也是一個形容詞。 我們用量子和經典就像一對，它們是對比的，即使你說某種現象是經典，某種現象是量子，那么一定是量子比經典好，量子是對的，而經典是錯誤的，如果這兩者的推論不同，那一定是量子熱是對的，經典熱是錯誤的，而且都在經典熱的應用范圍之內，即低速運動的宏觀物體。 量子熱的推導與經典熱相同，也就是說，經典熱相當于量子熱的一種特例，也就是說，量子熱的應用范圍比經典熱要廣得多。
我們后來談到，首先獲得量子熱諾貝爾獎的人，其中之一就是愛因斯坦。 大家都知道愛因斯坦最偉大的成就是提出了相對論，但是愛因斯坦獲得諾貝爾獎確實是因為量子熱，而不是因為相對論，這是一個非常神奇的事情，因為諾貝爾獎評選委員會，他們特別不喜歡相對論，他們還不相信相對論，所以他們寧愿把它送給愛因量子熱的愛因斯坦獲得諾貝爾獎。
所以其實相對論和量子熱是當今數學的兩大理論。 它們是當今數學的兩大支柱。 其實這是一種很特殊的情況，就是為什么會有兩種理論，如果是最基本的理論，不應該只有一種嗎？
所以這其實是一個很嚴重的問題，也就是說量子熱量和相對論，這兩者還沒有整合起來，應該有一個更基礎的理論來整合這兩者，這是我們目前努力的方向，但是現在呢還沒做到，這是數學的前沿，那么我們來對比一下，相對論和量子熱，它們的地位如何？
大家都知道相對論，它主要是愛因斯坦一個人提出來的，所以一提到相對論，你就會想到量子熱力學和愛因斯坦，但是你認為量子熱力學的創造者是誰呢？ 很難說，因為涉及的人太多了。
一旦這么多人知道了量子熱這個話題，潛意識里的問題就是量子熱能用來做什么？ 其實這個問題問得不好。 更值得問的是它不能用來做什么？ 由于它能做的事情太多了，你幾乎找不到它不能做的事情。
相反，你可以問相對論能用來做什么，因為相對論能做的事情并不多。 比如宇宙學需要相對論，對吧？ 大爆燃的理論，像黑洞這樣的東西，然后是重元素，它的物理學會用相對論，因為重元素層中的電子跑得非常快，接近光速。
之后還有一個，我終于找到了。 日常生活中利用相對論的衛星導航系統稱為GPS北斗。 它需要使用相對論，因為它的衛星運行得非常快。 這就是狹義相對論的出現。 同時，衛星距離地面較遠，衛星內部受到的重力低于地面，這會形成廣義相對論效應。 需要考慮這兩種影響。 還清吧，不然導航不準，但是數呀數，那都是日常生活中的事，還有量子熱，你日常生活中無時無刻都在用它，我告訴你，即使你用的是電，任何家電，你已經用了量子熱，所以量子和相對論兩個領域是完全不同的。
那么我們來解釋一下，一些最基本的問題只有在有了量子熱之后才能得到解答。 例如，最基本的問題之一是原子的穩定性。 我們都知道原子是由電子和原子核組成的。 到核？ 因為它是被原子核的靜電吸引的，對吧？ 為什么不掉下來？ 如果是經典熱學，那么它肯定會墜落，結果就是原子的塌陷，所以最基本的問題是，為什么我們還能穩定存在，對吧？
為什么原子仍然穩定存在？ 這就是量子熱的答案，也就是說，由于原子中電子的基態，存在一個量子化的最小值。 您等待哪個最小值？ 例如，對于氫原子，它是-13.6eV，并且不能再低了。 如果電子落在原子核上，它就會變成負無窮大，對嗎？ 這個比最低的低，所以不能掉下來，這就是原子穩定性的答案。
下一個問題是為什么原子會再次結合成分子？ 這似乎是物理學的基本問題。 答案是分子的基態也被量子化，分子的能量也被量子化。 另外，它更低，而且會釋放能量，所以有利于它們產生分子，這就回答了物理學的基本原理。
接下來的問題是大多數人都沒有想到的。 為什么物質有韌性，也就是說世界上為什么會有固體，對嗎？ 比如說這塊磚，或者這塊鋼，為什么它是硬的呢？ 這個問題其實相當于說這些原子距離太近了，為什么它們會推開而不是落到一起，對吧？
這個問題的答案是，因為有一種粒子叫做費米子，例如，電子就是費米子，與費米子相反，它被稱為玻璃骰子。 費米和玻色是兩位著名的化學家。 費米子的特點是它們必須滿足泡利不相容原理，如果它們之間靠得太近，它們就會互相推開，也就是說它們不能陷入同一個狀態。
如果你把兩個電子靠得很近，它們就會形成很強的電阻，防止它們陷入同一個狀態，對嗎？ 這就解釋了為什么世界上有固體。
接下來的問題是我們日常生活中每時每刻都在使用它，這就是導電性。 為什么有些物質會導電？ 例如，銅和鋁都導電，對嗎？ 他們是非常好的導體。 有些物質不導電，例如木材和塑料不導電。 后來我們會發現，有些物質是半導體，比如硅、鍺，有些物質是超導體，比如有些材料在高溫下。 金屬，這種問題是傳統理論完全無法解釋的。
如果你問一位19世紀的化學家為什么有些物質導電而有些不導電，他能給你的最好答案是這些導電物質上的電子是自由的，不導電。 電子在材料上不是自由的。 其實我們在學校、高中學到的傳導理論就是這樣的。 所謂自由電子論吧？
但仔細想想，這真的是一種解釋嗎？ 其實它什么也沒解釋，只是同意重復一遍，因為它只是告訴你，如果你能導電，你就稱它為自由電子，如果你不能導電，你就稱它為非電子。 -自由電子。
那你得問他你能預測嗎？ 你能告訴我為什么銅和鋁上的電子是自由的，而木材和塑料上的電子不是自由的。 答案是根本無法預測，所以這個理論只是一個文字游戲。 只有當有了量子熱科學之后，我們才發展出一套全新的理論，叫做能帶理論、能量能量、領結帶、條帶帶。 這種能帶理論使您能夠估計并準確預測哪些物質導電，哪些物質不導電。
我們還能發明新物質，比如半導體和超導體嗎？ 那么，量子熱不僅可以解釋現實世界中已經存在的現象，還可以發明一些新的器件，比如激光器、發光晶體管等？ 它們也經常被使用。 比如我現在就用這個??激光筆。 這就是量子熱理論，可以通過量子力學的效應產生。 如果沒有量子熱理論，你根本無法理解激光現象。
因此，現代社會的一切科技成就都離不開量子熱。 那么如果你想問，量子熱有什么用處，對吧？ 這是一個很外行的問題，說明你對量子熱一定一無所知。 如果你對量子熱有一點了解，你肯定不會問這些問題。
現在你對量子有了一點了解，你會發現它已經出現了100多年，1900年就被提出了。它根本不是什么新鮮事物，不是嗎？ 那么為什么它現在突然變得如此流行呢？ 答案是，這個新興的東西叫做量子信息，它是一門跨學科的學科。 20世紀80年代以來，量子熱科學與信息科學交叉形成一門新學科，稱為量子信息。 量子信息有什么作用？ 它利用量子力學的框架來做傳統信息科學做不到的事情。
例如，什么？ 例如，有一種最令人驚訝的技術，叫做隱形傳送。 比如很多懸疑系列，比如《星際迷航》，其核心技術就叫隱形傳態。 隨著一聲“biu”的一聲，一個人從這里傳送到了那里。 這東西叫做瞬移，這東西是真正的科技。 在量子信息方面，它確實有這個技術，叫量子隱形傳態。 傳送曾經是純粹的幻想，而現在傳送卻是真正的技術。 好吧，我們之前會詳細解釋量子隱形傳態。
所以大家可以看到，量子信息確實是一個非常神奇的學科，很多以前完全想象不到、不可能做到的事情在它上面都可以實現。
這種特定的量子信息包括什么？ 大家可以想一想，我們平時都用什么信息技術呢？ 最常用的是手機吧？ 手機是用來通訊的，然后還有電腦，是用來估算的。 之后，我們平時使用的尺子、溫度計、時鐘之類的東西也可以算作信息技術。 它們用于測試。 正確的？
相應地，量子信息也包括量子通信、量子估計和量子精密探測這三大部分。
之后，這三大塊分別包含一些具體的技術。 例如，量子通信包括量子密碼學和量子隱形傳態。 這個量子隱形傳態，就是我昨天提到的隱形傳態技術。 量子估計包括量子激勵的分解，或者說量子搜索，然后是量子精密探測，包括原子鐘和量子雷達等，我們把這三部分分別解釋一下。
這三個塊中，最容易理解的就是量子精密探測，因為你不需要了解它的原理，你只需要了解一件事，那就是通過這些量子熱技術，我們可以做出個體的數學量，測量比以前準確很多，你提高了檢測精度，你其實可以做很多以前做不到的事情，對吧？ 這是顯而易見的，所以這個東西是最容易理解的。
我們舉幾個反例。 比如有一種新技術叫“霧中見花”，這是他們自己的名字，“霧中見花”，本質上是單光子成像。 就是說以前的成像，比如我們現在用的相機經常用的是CCD，它用的是光電探測器，就是你現在用的那種手機，它的成像原理可能就是CCD，這個光電探測器對于探測器來說，需要接收大約 10 億個光子才能創建一個像素。 現在潘建偉教授和徐飛虎院士已經有了很大的進步。 他們發明了這些單光子成像儀器。 你只需要一兩個光子就可以形成一個像素。 8.2公里外，識別一個人的姿勢，這個人其實是一個人偶，拿出來一個木偶，大致可以看到，里面的圖片是一個人右手舉起來，下圖是兩個人一只手放下來一起來，對吧？
你看中間的圖就可以了，對吧？ 你可以看到它非常接近，對吧？ 這是8.2公里遠。 那么右圖相隔45公里。 此后，仍處于霧霾天氣。 看看北京的閔行航空大廈。 如果你用傳統像素看它，你能看到什么？ 你什么也看不見，只是有霧，對吧？ 而如果用這些單光子成像的話，還是可以馬馬虎虎，還是可以看到一個輪廓，然后就可以確定，這就是奉賢航空大廈。
所以人們稱之為霧里看花，即是即使在霧霾天離得很遠，也能看到一個大概的輪廓。
那么下一個就是量子雷達。 其實，當你看到量子雷達這個詞的時候，你一定會很興奮吧？ 很多人會覺得第一個問題是這個東西能不能用來探測隱形客機。 我可以告訴大家，雖然量子雷達有很多種，但據我了解，研究量子雷達的單位有很多公司。 他們不同單位研究的量子雷達原理不同，我熟悉的量子雷達是用來探測大氣風場的，也就是說探測我們大氣層上方的每一個點。 如果不下雨，風在哪里吹，風速是多少？ 這稱為大氣風場。
這是誰做的？ 該研究由竇賢康教授、潘建偉教授和張強院士共同完成。 這是利用雷達來探測大氣風場，這是已經存在的傳統技術。 而傳統技術形成的難點在哪里？ 最大的困難來自于太陽，因為太陽會形成巨大的干擾。 之后是受太陽干擾最少的波段部分，雖然是紅外波段，但因為太陽發出的是可見光不是嗎？ 太陽光的紅外部分硬度較低，但麻煩出在探測器上。 我們的紅外探測器性能比較差，所以竇賢康、潘建偉、張強所做的改進是他們開發了單光子變頻技術。 ，就是你發出來的是紅外光，當你接收回來的時候，你利用變頻技術將紅外光轉換成863納米的光。 之后這個光就比較容易被檢測到了，所以你可以用這個大大提高那種檢測的效率，這樣就可以大大提高檢測的效率，所以最終的結果就是把檢測距離從原來的2.6調整過來公里到8公里，這是非常大的，非常重大的，無論是軍事價值還是民用價值，都是非常重大的。
然后下一個，這個是潘建偉和徐飛虎做的，他們把它命名為“穿墻看”。 墻，你實際上不能看它，對嗎？ 那種墻擋住了它，現在你可以把這面墻當作反射全身鏡，實際上可以接收任何物體的信息。 想想看，這是多么奇妙的事情啊。 傳統上，為什么我們不能把這面墻當作全身鏡來看看這個東西呢？ 由于這面墻是漫反射的，也就是說，如果你把一束光照射到它上面，光會反射到哪里呢？ 但它可以向任一方向反射。
如果是全身鏡的話，全身鏡會產生鏡面反射，對嗎？ 入射角等于出射角，所以你會形成一個非常清晰的圖像，如果是一面墻，它可以反射，可以向任何方向走，而每個方向的硬度都很弱，所以你通常無法形成圖像。 而且它們有非常靈敏的光接收技術，也就是單光子成像技術，所以它們可以利用漫反射，三倍的漫反射，然后返回一些光子。 您可以使用返回光子的這一小部分來創建物體的圖像。 這回多少錢了？ 他們說你一次發射了 460 億個光子，然后其中 674 個光子通過三次漫反射返回，你捕獲了其中的 674 個。 想想損失率有多高。 正確的？ 你的生存率是十億分之一，對吧？ 你還是抓住了它，然后你用674個光子，反轉之后，你就可以構建這個物體的圖像。
看這邊的圖，里面最右邊的一個是兩個娃娃，里面的一個是一個舉起右手的人，倒數第二個就是第四幀的那個，所以你可以粗略地看一下看，一個A人舉起右手，然后下面的這個是一個H的形狀，你看一下，大致是一個H的形狀，所以可以判斷，幾乎是一樣的。
好啦，量子精密探測，這個誰都能看懂，雖然你根本不懂量子熱的原理，但是你能看懂，就很有用了，對吧？ 之后，對于前面的數量估計和量子通信，如果你想了解它們是做什么的，那就比較困難了，必須了解量子熱的原理。
那么下面我們就來談談量子熱的原理，而每當我們談到量子熱的原理時，首先需要克服的就是一個心理上的困難。 很多人一聽到量子熱就害怕，因為這樣的事情他們聽過很多。 比如說“力不從心”吧？ 不要自己去學量子熱，量力而行，這就是量子熱，隨機過程就是隨機的，就是這樣的笑話吧？
所以他們在學習之前腿就已經軟了。 他們覺得學習很著急吧？ 那么在他們的印象中，量子熱就是一套難以理解的形而上學吧？ 我們首先要破除的就是這些迷信量子物理學理論是誰提出的，就是不要取笑自己。 量子熱不是形而上學。 這個道理是非常清楚的。 就正確理解而言，量子熱是一套清晰的物理框架，就像微觀世界的運行手冊一樣。 物理框架最大的特點就是特別準確。 很多人認為，因為他們都說有一個詞叫測不準原理，對吧？
所以他們認為量子熱中的一切都是模糊的，你無法確定它。 相反，量子熱是一個極其精確的理論。 例如，我們最近有一個案例，量子熱中有一個非常重要的常數，稱為精細結構常數，我們經常使用α來表示它。 精細常數是什么意思？ 它是氫原子的電子速度與光速的比值，所以你可以計算出它大約是1/137。
然后在最新的實驗中，一群美國人在去年年底測試了精細結構常數，他們測得它是萬億分之81。 他們測得的精細結構常數的推導約為137.±11，最后兩位數字加減11，之后一直到這么多位，與理論值一致。
所以這就意味著量子熱似乎是最精確的理論，而我們所見過的最精確的測試結果都是由量子熱做出來的，所以量子熱一點也不可怕，它是一個極其精確的理論，并且有全世界數百萬熟悉這些操作說明的科技人員。 至少全世界數學、物理專業的中學生都學過量子力學，所以量子熱并沒有什么可怕的。 你必須學習理解它就完全沒問題了。