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(gè)物體，如同情人節(jié)一對(duì)深深相愛(ài)的戀人，彼此心靈相通，遠(yuǎn)在天邊卻時(shí)時(shí)牽掛并無(wú)形地連著彼此。除了這般，量子糾纏所帶來(lái)的量子密碼，如同戀人之間的心領(lǐng)神會(huì)的悄悄話一樣…
出品："SELF格致論道講堂"公眾號(hào)（ID：）
以下內(nèi)容為中國(guó)科大學(xué)數(shù)學(xué)研究所羅會(huì)仟講演實(shí)錄：
我明天講的主題是量子，我?guī)?lái)了三套“玩具”，它們的原理都一樣。
我們先做第一個(gè)實(shí)驗(yàn)。這是一個(gè)方形的軌道，這是一個(gè)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(fā)生了哪些？沒(méi)錯(cuò)，它漂浮在了軌道上。我推一下，它能夠繞著軌道做運(yùn)動(dòng)。
下邊我們做另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)。這是一個(gè)吸鐵石，這是一個(gè)環(huán)狀物體。從表面看，這個(gè)環(huán)狀物體并沒(méi)有哪些非常之處，雖然它內(nèi)部裝有超導(dǎo)線圈。一般，在不接觸吸鐵石的情況下，我們是難以用這個(gè)環(huán)把吸鐵石拎上去的。而且假如借助液氮的幫助，能夠?qū)崿F(xiàn)這一操作。
我們用液氮泡一泡這個(gè)環(huán)，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(lái)。這或許就是量子的效應(yīng)。量子實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)生活中很容易做，而且朋友們?cè)诩依锊灰S意玩這些吸鐵石，由于它的吸力特別大，不留神都會(huì)把你的手夾斷。
好，實(shí)驗(yàn)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(xué)生，還不能談戀愛(ài)。但量子的感情不一樣，下邊我們就來(lái)講一講哪些是量子的感情，量子是如何談戀愛(ài)的。
電子的排列組合
說(shuō)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(kāi)后，上面是帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子。電子繞著原子核轉(zhuǎn)，不過(guò)電子的運(yùn)動(dòng)軌跡并不像行星運(yùn)動(dòng)軌跡那樣有規(guī)律，電子是隨意亂轉(zhuǎn)的。
原子里有電子，而電子就是一個(gè)量子，原子核也是由好多量子組成的。我們常常說(shuō)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(xiàn)象。
為何電子是量子呢？電子除了帶著負(fù)電荷，它還像一個(gè)小n極。生活中有好多磁現(xiàn)象，就是由于電子可以有序地排列。電子的排列呈兩種狀態(tài)：一個(gè)朝上，一個(gè)朝下，這在數(shù)學(xué)學(xué)里叫載流子。你也不曉得它朝上還是朝下，排列是很隨機(jī)的。
好多人都以為電子長(zhǎng)得像球，實(shí)際上，粒子長(zhǎng)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(gè)原子里，你們曉得它們會(huì)呈哪些方式排布嗎？會(huì)呈六面體的排布。
生活里有哪些材料是六面體結(jié)構(gòu)的？對(duì)，鹽。在一個(gè)有序排列的原子里，電子如何運(yùn)動(dòng)呢？沒(méi)錯(cuò)，這時(shí)電子不能隨意運(yùn)動(dòng)，由于它會(huì)碰到各類(lèi)各樣的制約，也就是我們常說(shuō)的內(nèi)阻。
打個(gè)形象的比喻：電子在高速路上奔跑，它碰到了各類(lèi)各樣的“收費(fèi)站”，電子要停出來(lái)繳費(fèi)，能量會(huì)遭到損失，運(yùn)動(dòng)的速率都會(huì)變慢，所以說(shuō)，電子運(yùn)動(dòng)遭到了一定的制約，這就叫內(nèi)阻。
看起來(lái)任何導(dǎo)體都有內(nèi)阻，那有沒(méi)有辦法去除內(nèi)阻呢？剛剛我們做實(shí)驗(yàn)時(shí)用到了液氮，液氮的主要作用就是讓導(dǎo)體降溫。雖然科學(xué)家們也做了好多相關(guān)猜想，以下是比較有代表性的三個(gè)猜想。
第一個(gè)猜想是開(kāi)爾文作出。他覺(jué)得，氣溫回升后，電子會(huì)被凍住，內(nèi)阻都會(huì)上升，這個(gè)猜想聽(tīng)上去似乎挺有道理的。
第二個(gè)猜想是馬西森作出的。他覺(jué)得，內(nèi)阻會(huì)隨氣溫升高而降低，但有一部份內(nèi)阻無(wú)法避開(kāi)，總會(huì)存在，即使到了絕對(duì)零度，內(nèi)阻還是存在。
第三個(gè)猜想是杜瓦作出的。他覺(jué)得，假若找到一個(gè)完美的材料，這么在絕對(duì)零度的情況下，這個(gè)材料的內(nèi)阻會(huì)是零。
后來(lái)人們發(fā)覺(jué)這三個(gè)猜想都不太對(duì)。剛剛實(shí)驗(yàn)中用到的超導(dǎo)材料就證明，到了一定濕度以后，內(nèi)阻都會(huì)降到零，內(nèi)阻才會(huì)消失。內(nèi)阻消失的現(xiàn)象又叫超導(dǎo)現(xiàn)象。
超導(dǎo)現(xiàn)象是化學(xué)學(xué)家卡末林·昂內(nèi)斯發(fā)覺(jué)的。第一個(gè)發(fā)覺(jué)的超導(dǎo)材料是金屬汞，當(dāng)時(shí)卡末林·昂內(nèi)斯將汞的氣溫降到了4.2K（約-268.8℃），測(cè)得其阻值幾乎降為零。
內(nèi)阻為零是哪些概念？假如大家曉得電磁感應(yīng)的話，可以造一個(gè)電路圈，這時(shí)再加入一個(gè)磁場(chǎng)，就可以測(cè)出相應(yīng)的感應(yīng)電壓，通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電壓的變化就可以觀察出磁場(chǎng)的變化。
假如在超導(dǎo)體中做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，假定加一安培電壓的話，你們猜一猜大約多長(zhǎng)時(shí)間電壓會(huì)衰減為零呢？
大約要一千億年的時(shí)間。比宇宙的年紀(jì)還長(zhǎng)。這就是神奇的超導(dǎo)現(xiàn)象，它可以維持如此長(zhǎng)的時(shí)間。也就是說(shuō)量子物理糾纏什么意思，它幾乎可以做到毫無(wú)耗損地傳輸電能。
為何內(nèi)阻會(huì)為零呢？讓我們回到最開(kāi)始的主題——量子感情。
一個(gè)帶負(fù)電的電子在帶正電的原子里運(yùn)動(dòng)，它會(huì)把一群帶正電的原子給吸引過(guò)來(lái)。由于電子和原子的質(zhì)量差異很大，當(dāng)它把原子吸引過(guò)來(lái)之后，自己很快就離開(kāi)了。這時(shí)又來(lái)了另外一個(gè)電子，這群原子都會(huì)將能量重新釋放下來(lái)給第二個(gè)電子。
這樣一來(lái)，這兩個(gè)本來(lái)毫無(wú)關(guān)系的電子無(wú)形中就有了互相作用，產(chǎn)生了所謂的庫(kù)伯電子對(duì)，它們?cè)僖膊还陋?dú)了，它們“談戀愛(ài)”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(yáng)性的，有點(diǎn)像兩個(gè)女孩通過(guò)一群男人的介紹后，互相之間形成了感情。
實(shí)際上，材料中的電子有好多，并不只有兩個(gè)電子。這種電子相距都很遠(yuǎn)，那假如有一群這樣的電子都配成了對(duì)，會(huì)發(fā)生哪些情況呢？
那都會(huì)在整個(gè)材料范圍內(nèi)產(chǎn)生巨大的量子波。在超高溫的情況下，這種成對(duì)的電子具有大小相等、方向相反的動(dòng)量，于是可以無(wú)阻撓地在原子里運(yùn)動(dòng)，這樣就沒(méi)有內(nèi)阻了。
假如你們很難理解的話，我可以再打一個(gè)形象的比喻。電子如同一只有缺陷的胡蜂，它只有一個(gè)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(tuán)成對(duì)飛。
但是也不能亂飛，要朝著一個(gè)方向飛，必須成為電子對(duì)。電子對(duì)的距離可以十分特別遠(yuǎn)，但只要其中一個(gè)在動(dòng)，另一個(gè)都會(huì)跟隨動(dòng)。
原子是有序排列的，電子雖然也是有序排列的，它們?nèi)缤啽鴪?chǎng)上的士兵一樣，腳步整齊。一群士兵過(guò)來(lái)了，另一群士兵又過(guò)來(lái)了，狹路相逢時(shí)如何辦呢？就只能打械斗了。
假如我們將兩個(gè)超導(dǎo)體拼在一起，中間用一個(gè)絕緣體將它們隔開(kāi)，右側(cè)超導(dǎo)體和左側(cè)超導(dǎo)體中的電子互相不認(rèn)識(shí)的，而且它們都很團(tuán)結(jié)，這兩群電子相互斗毆的時(shí)侯會(huì)形成兩個(gè)光波，這叫雙縫干涉。兩群電子就會(huì)發(fā)生干涉，這叫夫瑯禾費(fèi)衍射。
我們看見(jiàn)，電子在空間上有強(qiáng)有弱地分布，并且是可以調(diào)節(jié)的，我們只須要稍為改變一點(diǎn)磁場(chǎng)，就可以改變它的形狀，這么，我們就可以構(gòu)造十分靈敏的量子偵測(cè)器。
電子繞約瑟夫森結(jié)一圈，可以正著繞，也可以反著繞，這樣下來(lái)的磁場(chǎng)會(huì)一個(gè)朝上，一個(gè)朝下，這就是兩個(gè)量子的疊加態(tài)。
量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)運(yùn)而生
你們不要小看我剛剛講的知識(shí)，那當(dāng)然就是量子計(jì)算機(jī)的基本原理。這張相片拍攝的就是量子計(jì)算機(jī)。
假如構(gòu)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(jì)算機(jī)集群做某個(gè)運(yùn)算，可能要算一萬(wàn)年，并且用量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，只須要一秒鐘！
不過(guò)，量子計(jì)算機(jī)雖好，建上去卻十分難。就好比把兩個(gè)超導(dǎo)體拼在一起很容易，而且把無(wú)數(shù)個(gè)超導(dǎo)體拼在一起就十分難了。
這是中國(guó)科學(xué)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(chēng)研發(fā)了一個(gè)由50多個(gè)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(lái)，50比特量子計(jì)算機(jī)假如真能建成的話，它將趕超現(xiàn)今所有的計(jì)算機(jī)，如今所有的計(jì)算機(jī)在它面前都是渣。它會(huì)頓時(shí)破解所有密碼，那將十分可怕。
你們想像一下，假若將來(lái)真有這樣的量子計(jì)算機(jī)，世界會(huì)弄成哪些樣。更可怕的是，這個(gè)量子計(jì)算機(jī)不是人造下來(lái)的，是AI造下來(lái)的，所以好多人都害怕未來(lái)將是機(jī)器人統(tǒng)治人類(lèi)的時(shí)代。
其實(shí)，真要建成一臺(tái)這樣的量子計(jì)算機(jī)十分困難。剛剛提及的電子計(jì)算機(jī)雖然持續(xù)的時(shí)間十分短，狀態(tài)很容易都會(huì)被破壞掉。所以我們須要找尋一個(gè)更復(fù)雜的量子狀態(tài)。
相片中的那位科學(xué)家好多人都不認(rèn)識(shí)，他是一位南斯拉夫科學(xué)家，叫波戈留波夫。我們常常笑稱(chēng)他是專(zhuān)門(mén)棒打鴛鴦的。
哪些意思？剛剛講了，要產(chǎn)生超導(dǎo)效應(yīng)，電子必需要配成對(duì)。但若果給正在談戀愛(ài)的一對(duì)電子加上磁場(chǎng)，加上水溫，才能把它們給拆開(kāi)。
一分兩散的兩個(gè)電子不會(huì)分成兩個(gè)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(huì)分成一對(duì)費(fèi)米子——馬約拉納費(fèi)米子。
馬約拉納是個(gè)神秘的化學(xué)學(xué)家，二十多歲離家出走后就杳無(wú)音信。神秘的馬約拉納天生具有超前的數(shù)學(xué)思維，他預(yù)測(cè)有一種粒子的反粒子就是它自己。后來(lái)證明這些粒子是真實(shí)存在的，所以叫它馬約拉納費(fèi)米子。
我們覺(jué)得這些粒子如同“天使和魔鬼的共存體”一樣，要操縱一個(gè)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(gè)材料首先是超導(dǎo)體，里面還要再做一層拓?fù)浣^緣體，將這三者結(jié)合上去后，才會(huì)形成神秘的馬約拉納費(fèi)米子。
有了馬約拉納費(fèi)米子后，量子芯片就不一樣了，它深受了拓?fù)涞谋Ｗo(hù)，能夠得到特別穩(wěn)定的量子狀態(tài)，只要不強(qiáng)行進(jìn)行破壞，量子狀態(tài)就永遠(yuǎn)存在。拓?fù)淞孔庸浪隳軌虮ＷC估算的精度，實(shí)現(xiàn)高精度操作的要求。
量子研究的未來(lái)
未來(lái)假如真的實(shí)現(xiàn)了量子元件的話，我們將迎來(lái)一個(gè)嶄新的量子世界。你們不要認(rèn)為量子世界離我們很遙遠(yuǎn)，實(shí)際上它離我們十分近。
微軟建成了量子計(jì)算機(jī)，人們也能通過(guò)量子模擬器體驗(yàn)量子估算。中國(guó)早在幾年前就提出了量子計(jì)劃，計(jì)劃在六年內(nèi)建成中國(guó)的量子計(jì)算機(jī)。
現(xiàn)在兩兩年過(guò)去了，中國(guó)的量子技術(shù)發(fā)展取得了巨大進(jìn)步。你們回想一下，第一臺(tái)筆記本剛造下來(lái)的時(shí)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(tái)手機(jī)都比當(dāng)時(shí)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)要厲害得多。這些快速的變化只用了短短二三六年的時(shí)間。
如今似乎都是科學(xué)家在研究量子估算，沒(méi)準(zhǔn)六年以后，我們的手機(jī)、電腦就都量子化了。待會(huì)兒一臺(tái)量子手機(jī)就相當(dāng)于現(xiàn)今的一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)。
而未來(lái)一切的實(shí)現(xiàn)都依賴(lài)于最初的開(kāi)端：材料量子世界里一群電子形成的感情讓我們有機(jī)會(huì)人為地進(jìn)行操控，有機(jī)會(huì)建立未來(lái)的量子世界。
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