哪些是世界上最偉大的感情？那就是量子糾纏！處于量子糾纏的兩個物體，如同情人節一對深深相愛的戀人，彼此心靈相通，遠在天邊卻時時牽掛并無形地連著彼此。除了這般，量子糾纏所帶來的量子密碼，如同戀人之間的心領神會的悄悄話一樣…
出品："SELF格致論道講堂"公眾號（ID：）
以下內容為中國科大學數學研究所羅會仟講演實錄：
我明天講的主題是量子，我帶來了三套“玩具”，它們的原理都一樣。
我們先做第一個實驗。這是一個方形的軌道，這是一個條狀材料，我們把條狀材料放在液氮里泡一泡量子物理糾纏什么意思，之后把它放在軌道上。你們看，發生了哪些？沒錯，它漂浮在了軌道上。我推一下，它能夠繞著軌道做運動。
下邊我們做另外一個實驗。這是一個吸鐵石，這是一個環狀物體。從表面看，這個環狀物體并沒有哪些非常之處，雖然它內部裝有超導線圈。一般，在不接觸吸鐵石的情況下，我們是難以用這個環把吸鐵石拎上去的。而且假如借助液氮的幫助，能夠實現這一操作。
我們用液氮泡一泡這個環，讓它降溫。好，你們看，如今吸鐵石早已被拎上去了，并且完全是懸空的，我們須要用很大力氣就能將它拉出來。這或許就是量子的效應。量子實驗在現實生活中很容易做，而且朋友們在家里不要隨意玩這些吸鐵石，由于它的吸力特別大，不留神都會把你的手夾斷。
好，實驗就做到這兒，我明天要分享的主題是“量子的感情”。你們都是小學生，還不能談戀愛。但量子的感情不一樣，下邊我們就來講一講哪些是量子的感情，量子是如何談戀愛的。
電子的排列組合
說到量子，怎么能夠找到量子呢？似乎只要你的耳朵足夠厲害，才能找到原子。把原子剖開后，上面是帶正電的原子核和帶負電的電子。電子繞著原子核轉，不過電子的運動軌跡并不像行星運動軌跡那樣有規律，電子是隨意亂轉的。
原子里有電子，而電子就是一個量子，原子核也是由好多量子組成的。我們常常說電子就是量子，所以假如可以操控電子，這么就可以操控好多量子現象。
為何電子是量子呢？電子除了帶著負電荷，它還像一個小n極。生活中有好多磁現象，就是由于電子可以有序地排列。電子的排列呈兩種狀態：一個朝上，一個朝下，這在數學學里叫載流子。你也不曉得它朝上還是朝下，排列是很隨機的。
好多人都以為電子長得像球，實際上，粒子長得都不太像球，像球的只有氫原子，粒子的形狀都是亂七八糟的，有杠鈴狀，有梅花狀，等等。假如把這種電子置于同一個原子里，你們曉得它們會呈哪些方式排布嗎？會呈六面體的排布。
生活里有哪些材料是六面體結構的？對，鹽。在一個有序排列的原子里，電子如何運動呢？沒錯，這時電子不能隨意運動，由于它會碰到各類各樣的制約，也就是我們常說的內阻。
打個形象的比喻：電子在高速路上奔跑，它碰到了各類各樣的“收費站”，電子要停出來繳費，能量會遭到損失，運動的速率都會變慢，所以說，電子運動遭到了一定的制約，這就叫內阻。
看起來任何導體都有內阻，那有沒有辦法去除內阻呢？剛剛我們做實驗時用到了液氮，液氮的主要作用就是讓導體降溫。雖然科學家們也做了好多相關猜想，以下是比較有代表性的三個猜想。
第一個猜想是開爾文作出。他覺得，氣溫回升后，電子會被凍住，內阻都會上升，這個猜想聽上去似乎挺有道理的。
第二個猜想是馬西森作出的。他覺得，內阻會隨氣溫升高而降低，但有一部份內阻無法避開，總會存在，即使到了絕對零度，內阻還是存在。
第三個猜想是杜瓦作出的。他覺得，假若找到一個完美的材料，這么在絕對零度的情況下，這個材料的內阻會是零。
后來人們發覺這三個猜想都不太對。剛剛實驗中用到的超導材料就證明，到了一定濕度以后，內阻都會降到零，內阻才會消失。內阻消失的現象又叫超導現象。
超導現象是化學學家卡末林·昂內斯發覺的。第一個發覺的超導材料是金屬汞，當時卡末林·昂內斯將汞的氣溫降到了4.2K（約-268.8℃），測得其阻值幾乎降為零。
內阻為零是哪些概念？假如大家曉得電磁感應的話，可以造一個電路圈，這時再加入一個磁場，就可以測出相應的感應電壓，通過檢測感應電壓的變化就可以觀察出磁場的變化。
假如在超導體中做這個實驗，假定加一安培電壓的話，你們猜一猜大約多長時間電壓會衰減為零呢？
大約要一千億年的時間。比宇宙的年紀還長。這就是神奇的超導現象，它可以維持如此長的時間。也就是說量子物理糾纏什么意思，它幾乎可以做到毫無耗損地傳輸電能。
為何內阻會為零呢？讓我們回到最開始的主題——量子感情。
一個帶負電的電子在帶正電的原子里運動，它會把一群帶正電的原子給吸引過來。由于電子和原子的質量差異很大，當它把原子吸引過來之后，自己很快就離開了。這時又來了另外一個電子，這群原子都會將能量重新釋放下來給第二個電子。
這樣一來，這兩個本來毫無關系的電子無形中就有了互相作用，產生了所謂的庫伯電子對，它們再也不孤獨了，它們“談戀愛”了，這就是我們明天要講的感情。
我之所以將這些感情比喻成“蕾絲邊的感情”，是由于電子是陽性的，有點像兩個女孩通過一群男人的介紹后，互相之間形成了感情。
實際上，材料中的電子有好多，并不只有兩個電子。這種電子相距都很遠，那假如有一群這樣的電子都配成了對，會發生哪些情況呢？
那都會在整個材料范圍內產生巨大的量子波。在超高溫的情況下，這種成對的電子具有大小相等、方向相反的動量，于是可以無阻撓地在原子里運動，這樣就沒有內阻了。
假如你們很難理解的話，我可以再打一個形象的比喻。電子如同一只有缺陷的胡蜂，它只有一個翅膀，有的只有左翅膀，有的只有右翅膀，有缺陷的胡蜂自己飛不上去，必須抱團成對飛。
但是也不能亂飛，要朝著一個方向飛，必須成為電子對。電子對的距離可以十分特別遠，但只要其中一個在動，另一個都會跟隨動。
原子是有序排列的，電子雖然也是有序排列的，它們如同閱兵場上的士兵一樣，腳步整齊。一群士兵過來了，另一群士兵又過來了，狹路相逢時如何辦呢？就只能打械斗了。
假如我們將兩個超導體拼在一起，中間用一個絕緣體將它們隔開，右側超導體和左側超導體中的電子互相不認識的，而且它們都很團結，這兩群電子相互斗毆的時侯會形成兩個光波，這叫雙縫干涉。兩群電子就會發生干涉，這叫夫瑯禾費衍射。
我們看見，電子在空間上有強有弱地分布，并且是可以調節的，我們只須要稍為改變一點磁場，就可以改變它的形狀，這么，我們就可以構造十分靈敏的量子偵測器。
電子繞約瑟夫森結一圈，可以正著繞，也可以反著繞，這樣下來的磁場會一個朝上，一個朝下，這就是兩個量子的疊加態。
量子計算機的應運而生
你們不要小看我剛剛講的知識，那當然就是量子計算機的基本原理。這張相片拍攝的就是量子計算機。
假如構造出量子糾纏，就可以做量子估算了。量子估算十分厲害，特別快。諸位朋友曉得有多快嗎？
用一棟樓這么大的計算機集群做某個運算，可能要算一萬年，并且用量子計算機進行運算，只須要一秒鐘！
不過，量子計算機雖好，建上去卻十分難。就好比把兩個超導體拼在一起很容易，而且把無數個超導體拼在一起就十分難了。
這是中國科學家作出的20量子比特的芯片，有了量子芯片，就可以做量子估算了。
前不久微軟聲稱研發了一個由50多個量子比特組成的量子處理器。你們可能還感受不到這是哪些概念。
未來，50比特量子計算機假如真能建成的話，它將趕超現今所有的計算機，如今所有的計算機在它面前都是渣。它會頓時破解所有密碼，那將十分可怕。
你們想像一下，假若將來真有這樣的量子計算機，世界會弄成哪些樣。更可怕的是，這個量子計算機不是人造下來的，是AI造下來的，所以好多人都害怕未來將是機器人統治人類的時代。
其實，真要建成一臺這樣的量子計算機十分困難。剛剛提及的電子計算機雖然持續的時間十分短，狀態很容易都會被破壞掉。所以我們須要找尋一個更復雜的量子狀態。
相片中的那位科學家好多人都不認識，他是一位南斯拉夫科學家，叫波戈留波夫。我們常常笑稱他是專門棒打鴛鴦的。
哪些意思？剛剛講了，要產生超導效應，電子必需要配成對。但若果給正在談戀愛的一對電子加上磁場，加上水溫，才能把它們給拆開。
一分兩散的兩個電子不會分成兩個電子，而是分成兩種不同的粒子，這些粒子就叫波戈留波夫粒子。
波戈留波夫粒子會分成一對費米子——馬約拉納費米子。
馬約拉納是個神秘的化學學家，二十多歲離家出走后就杳無音信。神秘的馬約拉納天生具有超前的數學思維，他預測有一種粒子的反粒子就是它自己。后來證明這些粒子是真實存在的，所以叫它馬約拉納費米子。
我們覺得這些粒子如同“天使和魔鬼的共存體”一樣，要操縱一個既是天使又是魔鬼的東西十分困難，我們須要十分別致的材料，這個材料首先是超導體，里面還要再做一層拓撲絕緣體，將這三者結合上去后，才會形成神秘的馬約拉納費米子。
有了馬約拉納費米子后，量子芯片就不一樣了，它深受了拓撲的保護，能夠得到特別穩定的量子狀態，只要不強行進行破壞，量子狀態就永遠存在。拓撲量子估算能夠保證估算的精度，實現高精度操作的要求。
量子研究的未來
未來假如真的實現了量子元件的話，我們將迎來一個嶄新的量子世界。你們不要認為量子世界離我們很遙遠，實際上它離我們十分近。
微軟建成了量子計算機，人們也能通過量子模擬器體驗量子估算。中國早在幾年前就提出了量子計劃，計劃在六年內建成中國的量子計算機。
現在兩兩年過去了，中國的量子技術發展取得了巨大進步。你們回想一下，第一臺筆記本剛造下來的時侯有三層樓這么高，有一棟樓這么大。
但如今，我們手中的任何一臺手機都比當時第一臺計算機要厲害得多。這些快速的變化只用了短短二三六年的時間。
如今似乎都是科學家在研究量子估算，沒準六年以后，我們的手機、電腦就都量子化了。待會兒一臺量子手機就相當于現今的一臺超級計算機。
而未來一切的實現都依賴于最初的開端：材料量子世界里一群電子形成的感情讓我們有機會人為地進行操控，有機會建立未來的量子世界。
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