數(shù)千年來(lái)，人類仍然借助天生的直覺來(lái)認(rèn)識(shí)自然界運(yùn)行的原理。盡管這些方法讓我們?cè)诤枚喾矫嬲`入歪路，例如，曾一度深信月球是平的。但從總體上來(lái)說(shuō)，我們所得到的真理和知識(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大過(guò)謬論。正是在這些雖平緩、成效卻非常積極的積累過(guò)程中，人們漸漸摸索總結(jié)出了運(yùn)動(dòng)定理、熱熱學(xué)原理等知識(shí)，自身所處的世界才顯得不再這么神秘。于是，直覺的價(jià)值，愈發(fā)得到肯定。但這一切，截至到量子熱學(xué)的出現(xiàn)。
這是被愛因斯坦和玻爾用“上帝跟宇宙玩擲色子”來(lái)形容的學(xué)科，也是研究“極度微觀領(lǐng)域物質(zhì)”的數(shù)學(xué)學(xué)分支，它帶來(lái)了許許多多令人驚訝不已的推論——科學(xué)家們發(fā)覺，電子的行為同時(shí)帶有波和粒子的雙重特點(diǎn)（波粒二象性），但僅僅是加入了人類的觀察活動(dòng)，就足以立即改變它們的特點(diǎn)；再者還有相隔千里的粒子可以頓時(shí)聯(lián)系（量子糾纏）：不確定的光子可以同時(shí)去向兩個(gè)方向（海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理）；更別提那只理論假定的貓既死了又活著（薛定諤的貓）……
比如以上，這種研究結(jié)果常常是顛覆性的，由于它們基本與人們習(xí)慣的邏輯思維相違逆。以至于愛因斯坦不得不哀嘆道：“量子熱學(xué)越是取得成功，它自身就越變得荒唐。”
到如今，與一個(gè)世紀(jì)之前人類剛才進(jìn)軍量子領(lǐng)域的時(shí)侯相比，愛因斯坦的觀點(diǎn)雖然得到了更為廣泛的共鳴。量子熱學(xué)越是在數(shù)理上不斷得到完美評(píng)分，就越變得我們的本能直覺竟這般簡(jiǎn)陋不堪。人們不得不承認(rèn)，盡管它仍然看上去奇特而陌生，但量子熱學(xué)在過(guò)去的一百年里，早已為人類帶來(lái)了太多革命性的發(fā)明創(chuàng)造。正像詹姆斯·卡卡廖斯在《量子熱學(xué)的奇妙故事》一書的序言中所述：“量子熱學(xué)在哪？你不正沉溺于其中嗎。”
陌生的量子，不陌生的晶體管
日本《探索》雜志在線版給出的真實(shí)世界中量子熱學(xué)的一大應(yīng)用，就是人們已經(jīng)不陌生的晶體管。
1945年的夏天，日本美軍成功制造出世界上第一臺(tái)真空管計(jì)算機(jī)ENIAC。據(jù)當(dāng)時(shí)的記載，這臺(tái)龐然大物總重量超過(guò)30噸，占地面積接近一個(gè)大型住宅，總耗費(fèi)高達(dá)100萬(wàn)日元。這么巨額的投入，注定了真空管這些能源和空間消耗大戶，在計(jì)算機(jī)的發(fā)展史中只能是一個(gè)過(guò)客。由于彼時(shí)，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們已在加緊研發(fā)足以取代真空管的新發(fā)明——晶體管。
晶體管的優(yōu)勢(shì)在于它還能同時(shí)飾演電子訊號(hào)放大器和轉(zhuǎn)換器的角色。這幾乎是所有現(xiàn)代電子設(shè)備最基本的功能需求。但晶體管的出現(xiàn)，首先必需要謝謝的就是量子熱學(xué)。
正是在量子熱學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域獲得的突破，哈佛學(xué)院的研究者尤金·瓦格納及其中學(xué)生弗里德里希·塞茨得以在1930年發(fā)覺半導(dǎo)體的性質(zhì)——同時(shí)作為導(dǎo)體和絕緣體而存在。在晶體管上加電流能實(shí)現(xiàn)門的功能，控制管中電流的導(dǎo)通或則截至，借助這個(gè)原理便能實(shí)現(xiàn)信息編碼，以至于編撰一種1和0的語(yǔ)言來(lái)操作它們。隨后的10年中，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家制做和改良了世界首枚晶體管。1954年，德國(guó)美軍成功制造出世桐城臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)。與之前動(dòng)輒房屋般臃腫的不靠譜的真空管計(jì)算機(jī)高手們相比，只有3立方公尺大，功率不過(guò)100瓦。明天，英特爾和AMD的尖端芯片上，已然才能擺放數(shù)十億個(gè)微處理器。而這一切都必須歸功于量子熱學(xué)。
量子干涉“搞定”能量回收
無(wú)論如何心懷敬愛，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，都不太容易能把量子熱學(xué)代表的理論和它帶來(lái)的成果聯(lián)系在一起，由于她們聽上去就是完全不相干的兩件事。而“能量回收”就是個(gè)反例。
每次開車出游，人們就會(huì)不可防止地做一件負(fù)面的事情——浪費(fèi)能量。由于在底盤燃起燃料以形成促進(jìn)車身前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力同時(shí)，相當(dāng)一部份能量以熱量的方式散失，或則直白地說(shuō)，浪費(fèi)在空氣當(dāng)中。對(duì)于這些情況，韓國(guó)德克薩斯學(xué)院的研究人員企圖利用量子熱學(xué)中的量子干涉原理來(lái)解決這一問(wèn)題。
量子干涉描述了同一個(gè)量子系統(tǒng)若干個(gè)不同態(tài)疊加成一個(gè)純態(tài)的情況，這聽上去讓人完全不知所謂，但研究人員借助它研發(fā)了一種分子溫差電材料，才能有效地將熱量轉(zhuǎn)化為電能。更重要的是，這些材料的長(zhǎng)度僅僅只有百萬(wàn)分之一公尺量子物理的應(yīng)用論文，在其發(fā)揮功效時(shí)，不須要再額外安裝其他外部運(yùn)動(dòng)部件，也不會(huì)形成任何污染。研究團(tuán)隊(duì)表示，假如用這些材料將車輛的排氣系統(tǒng)包裹上去的話，汽車為此將獲得足以照亮200只100瓦燈泡的電能——盡管理論讓人沮喪，但這數(shù)字而且清晰可見的。
該團(tuán)隊(duì)因而對(duì)新型材料的前途飽含信心量子物理的應(yīng)用論文，確定在其他存在熱量損失的領(lǐng)域，該材料同樣還能發(fā)揮作用，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽绻夥?yáng)能板。而我們只需曉得，這都是量子干涉“搞定”的。
不確定的量子，十分確定的時(shí)鐘
作為普通人，通常是不會(huì)介意自己的腕表快了半分鐘，還是慢了十幾秒。并且，假如是像英國(guó)陸軍氣象天文臺(tái)那樣為一個(gè)國(guó)家的時(shí)間負(fù)責(zé)，這么這半分半秒的偏差都是不被容許的。好在這種重要的組織單位都還能借助原子鐘來(lái)保持時(shí)間的精準(zhǔn)無(wú)誤。這種原子鐘比之前所有存在過(guò)的掛鐘都要精確。其中最強(qiáng)大的是一臺(tái)銫原子鐘，才能在2000萬(wàn)年以后，仍然保持偏差不超過(guò)一秒。
見到這些精確的能讓人衰弱的掛鐘后，你或許會(huì)困惑莫非真的有哪些人或則哪些場(chǎng)合會(huì)用到它們？答案是肯定的，確實(shí)有人須要。例如航天工程師在估算宇宙飛船的飛行軌跡時(shí)，必須清楚地了解目的地的位置。不管是星體還是小行星，它們都時(shí)刻處在運(yùn)動(dòng)當(dāng)中。同時(shí)距離也是必須考慮的因素。一旦將來(lái)我們飛出了所在星體的范圍，留給偏差的邊際范圍將會(huì)越來(lái)越小。
這么，量子熱學(xué)又與那些有哪些關(guān)系呢？對(duì)于這種極其精準(zhǔn)的原子鐘來(lái)說(shuō)，造成偏差形成的最大敵軍，是量子噪音。它們才能消弭原子鐘檢測(cè)原子震動(dòng)的能力。如今，來(lái)自美國(guó)學(xué)院的兩位研究人員早已開發(fā)出，通過(guò)調(diào)整銫原子的能量層級(jí)來(lái)抑制量子噪音程度的技巧。它們目前正在企圖將這一方式應(yīng)用到所有原子鐘起來(lái)。雖然科技越發(fā)達(dá)，對(duì)準(zhǔn)時(shí)的要求就越高。
量子密碼之戰(zhàn)無(wú)不勝
斯巴達(dá)人一向以戰(zhàn)斗中的勇敢與兇狠著稱于世，而且人們并不能為此而責(zé)怪她們?cè)跈?quán)術(shù)方面的才干。為了避免敵方事先獲知自己的軍事行動(dòng)，斯巴達(dá)人使用一種被叫做密碼棒的東西來(lái)為絕密信息加密和揭秘。她們先將一張牛皮紙裹在一根柱狀物上，之后在里面書寄信息，最后再將牛皮紙取下。利用這些方法，斯巴達(dá)的士官才能發(fā)出一條敵軍看上去語(yǔ)無(wú)倫次的命令。而己方人員只需再度將牛皮紙裹在同等規(guī)格的柱狀物上，就才能閱讀真正的命令。
斯巴達(dá)人樸實(shí)的方法，僅僅是密碼學(xué)漫長(zhǎng)歷史的開端。現(xiàn)在，借助微觀物質(zhì)一些奇特特點(diǎn)的量子密碼學(xué)，早已公開聲稱自己無(wú)解。它是一種借助量子糾纏效應(yīng)、基于單光子偏振光態(tài)的全新信息傳輸方法。其安全之處在于，每每有人闖進(jìn)傳輸網(wǎng)路，光子束才會(huì)出現(xiàn)衰弱，每位結(jié)點(diǎn)的偵測(cè)器都會(huì)強(qiáng)調(diào)錯(cuò)誤等級(jí)的降低，因而發(fā)出受襲警報(bào)；發(fā)送與接收雙方也會(huì)隨機(jī)選定通配符的子集進(jìn)行比較，全部匹配才覺得沒有人監(jiān)聽。換句話說(shuō)，黑客未能闖進(jìn)一個(gè)量子系統(tǒng)同時(shí)不留下干擾痕跡，由于僅僅嘗試解碼這一舉動(dòng)，都會(huì)造成量子密碼系統(tǒng)改變自己的狀態(tài)。相應(yīng)的，盡管有黑客成功攔截獲得了一組密碼信息的解碼鎖匙，那他在完成這一舉動(dòng)的同一時(shí)刻，也造成了秘鑰的變化。因此當(dāng)合法的信息接收者檢測(cè)鎖匙時(shí)，才會(huì)輕易發(fā)覺疲態(tài)，因而更換新的秘鑰。
量子密碼的出現(xiàn)仍然被視為“絕對(duì)安全”的回歸，不過(guò)，天下沒有不漏風(fēng)的墻。擁有1000多年前那部維京時(shí)代海盜史的英國(guó)人，早已打破了量子密碼無(wú)解的神話。利用忽悠讀取密碼信息的設(shè)備，她們?cè)诓粐L試解碼的條件下，就獲得了信息。但她們承認(rèn)，這只是借助了現(xiàn)存技術(shù)上的一個(gè)漏洞，在量子密碼術(shù)建立后即可趨避。
隨機(jī)數(shù)發(fā)生器：上帝的“量子色子”
所謂的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，并不是老派香皂劇中這些魔幻神秘的玩意兒。它們利用量子熱學(xué)，才能召喚出真正的隨機(jī)數(shù)。不過(guò)，科學(xué)家們?yōu)楹我晦o勞苦地深入量子世界來(lái)找尋隨機(jī)數(shù)，而不是簡(jiǎn)單輕松地拋下硬幣、擲個(gè)色子？答案在于：真正的隨機(jī)性只存在于量子層級(jí)。實(shí)際上只要科學(xué)家們收集到關(guān)于擲色子的足夠信息，這么她們便就能提早對(duì)結(jié)果作出預(yù)測(cè)。這對(duì)于輪盤博彩、彩票甚至計(jì)算機(jī)得出的開獎(jiǎng)結(jié)果等等，統(tǒng)統(tǒng)有效。
但是，在量子世界，所有的一切都是絕對(duì)難以預(yù)測(cè)的。馬克斯·普朗克學(xué)院光學(xué)化學(xué)研究所的研究人員正是利用這一不可預(yù)知性，制做出了“量子色子”。她們先是通過(guò)在真空中制造波動(dòng)來(lái)形成出量子噪音，之后檢測(cè)噪音所形成的隨機(jī)層級(jí)，以此獲得可以用于信息加密、天氣預(yù)演等工作的真正隨機(jī)數(shù)字。值得一提的是，這些色子被安裝在固態(tài)芯片上，才能勝任多種不同的使用需求。
我們與激光險(xiǎn)些失之交臂
與量子熱學(xué)的經(jīng)歷相像，激光在初期以前也被覺得是“理論上的巨人，實(shí)際應(yīng)用上的侏儒”。但明天，無(wú)論是家用CD播放器，還是“導(dǎo)彈防御系統(tǒng)”，激光早已在當(dāng)代人類的社會(huì)生活中，搶占了核心地位。不過(guò)，假如不是量子熱學(xué)，我們與激光的故事，很可能是以“擦身而過(guò)”而收?qǐng)觥?span style="display:none">Ou0物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
激光器的原理，是先沖擊圍繞原子旋轉(zhuǎn)的電子，令其在重返低能量級(jí)別時(shí)激發(fā)出光子。這種光子隨即又會(huì)引起周圍的原子發(fā)生同樣的變化，即發(fā)射出光子。最終，在激光器的引導(dǎo)下，這種光子產(chǎn)生穩(wěn)定的集中束流，即我們所見到的激光。其實(shí)，人們才能知曉那些，離不開理論化學(xué)學(xué)家馬克斯·普朗克及其發(fā)覺的量子熱學(xué)原理。普朗克強(qiáng)調(diào)，原子的能量級(jí)別不是連續(xù)的，而是分散、不連貫的。當(dāng)原子發(fā)射出能量時(shí)，是以在離散值上被叫做量子的最小基本單位進(jìn)行的。激光器工作的原理，實(shí)際上就是迸發(fā)一個(gè)特定量子充溢能量。
專門挑戰(zhàn)極端的超精密體溫計(jì)
假如用普通的醫(yī)用體溫計(jì)，去檢測(cè)比絕對(duì)零度低百分之一的體溫，這支濕度計(jì)的下場(chǎng)可想而知。這么怎樣去對(duì)付這樣的極端氣溫呢？哈佛學(xué)院的研究人員發(fā)明了一支可以對(duì)付這種情況的神奇體溫計(jì)。它除了能在極端環(huán)境中保持堅(jiān)挺，更才能提供無(wú)比精確的數(shù)值。
為制做這些氣溫計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)必須重新梳理體溫計(jì)的設(shè)計(jì)思路。例如獲得精確數(shù)值的方法。辛運(yùn)的是，在找尋精確的過(guò)程中，科學(xué)家們利用量子隧洞得到了自己想要的答案。如同鉆入山體內(nèi)部而不是在其表面爬上爬下，粒子在穿越勢(shì)壘的過(guò)程中，形成出了量子噪音。使用研究團(tuán)隊(duì)的量子溫度計(jì)去檢測(cè)這種噪音，便才能精確地得出實(shí)驗(yàn)物體的體溫。
盡管這些氣溫計(jì)對(duì)于普通人的日常生活并沒有太大的意義，而且在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，尤其是這些須要極低氣溫環(huán)境的材料實(shí)驗(yàn)室它就可以大展身手了。如今，研究者們還在努力通過(guò)各類手段提升該氣溫計(jì)的精確性，并期望隨著它應(yīng)用范圍的拓展，更極端的科研環(huán)境都可以從中獲益。
人人都愛量子計(jì)算機(jī)
在1965年發(fā)表的一篇論文中，英特爾公司的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展，做了一些簡(jiǎn)陋但卻意義深遠(yuǎn)的預(yù)測(cè)。其中最重要的一條便是日后知名的摩爾定理：每平方公尺集成電路上晶體管的數(shù)目，每18個(gè)月便會(huì)翻兩倍。這一定理對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展形成了深遠(yuǎn)影響，然而現(xiàn)今，摩爾定理雖然走到了盡頭，由于到2020年，硅芯片將會(huì)達(dá)到自身的數(shù)學(xué)極限，而隨著晶體管容積的不斷縮小，它們將開始遵守量子世界的各類規(guī)律。
和量子世界的規(guī)律“抱有敵意”相比，迎合量申時(shí)代其實(shí)才是人們最好的選擇。明天，這些從事量子計(jì)算機(jī)研究的科學(xué)家做的正是這件事情。相比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)具有無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)：并行處理。利用并行處理的能力，量子計(jì)算機(jī)就能同時(shí)處理多重任務(wù)，而不是像傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)那樣還要分出輕重緩急。量子計(jì)算機(jī)的這一特點(diǎn)，注定它在未來(lái)將以指數(shù)級(jí)的速率趕超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。
不過(guò)，在量子估算成為現(xiàn)實(shí)之前，科學(xué)家們還須要克服一些艱辛挑戰(zhàn)。例如，量子計(jì)算機(jī)使用的是比傳統(tǒng)比特儲(chǔ)存能力高出許多的量子比特，然而不幸的是，量子比特特別未能創(chuàng)造下來(lái)，由于這須要多種粒子共同組成網(wǎng)路。直至現(xiàn)今，科學(xué)家只還能一次性將12種粒子纏連上去。而量子估算機(jī)若要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，起碼須要將這個(gè)數(shù)字降低數(shù)十倍甚至上百倍。
想曉得哪些是真正的瞬時(shí)通訊嗎
量子熱學(xué)在過(guò)去的時(shí)光里為人們帶來(lái)的成就彌足珍稀，但科學(xué)家們有理由相信，其在未來(lái)會(huì)奉獻(xiàn)的更多。
如今，當(dāng)你在手機(jī)、短信、郵件以及MSN、飛信等等諸這么類的通訊工具之間穿行時(shí)，可能以為自己早已被所謂的“瞬時(shí)通訊”覆蓋。實(shí)際上，你發(fā)出的聲音、文字、圖像都須要一點(diǎn)時(shí)間能夠達(dá)到目的地，或長(zhǎng)或短而已。現(xiàn)今的人們?nèi)粘Ｋ苡玫降耐ㄓ嵎椒ǎ钑r(shí)間都非常短，但在很遠(yuǎn)的未來(lái)，人和人之間的交流不會(huì)只限于大洲與大洲之間，而可能須要橫貫星體，這就使通訊時(shí)間大大的降低——譬如說(shuō)，在去年8月6日，“好奇”號(hào)火星車登錄火星，傳回的訊號(hào)抵達(dá)月球就有十幾分鐘的延后。但這還只是在太陽(yáng)系中月球和火星的距離，假若將距離延展的更遠(yuǎn)，這么科學(xué)家們覺得，只有量子熱學(xué)才有能力真正實(shí)現(xiàn)“即時(shí)”的通訊，無(wú)論距離多遠(yuǎn)。
使瞬時(shí)通訊成為現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵，在于被稱為量子糾纏的量子熱學(xué)現(xiàn)象——愛因斯坦稱其為“幽靈般的遠(yuǎn)距作用”，指處于糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子雖然距離遙遠(yuǎn)，也保持著非常的關(guān)聯(lián)性，對(duì)一個(gè)粒子的操作會(huì)影響到另一個(gè)粒子。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，當(dāng)其中一個(gè)粒子被檢測(cè)或則觀測(cè)到，另一個(gè)粒子也急劇在頓時(shí)發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)改變。這些如同“心電感應(yīng)”般的一致行動(dòng)，已超出了精典數(shù)學(xué)學(xué)規(guī)則的解釋范疇，因而才被愛因斯坦視作鬼魅。但借助量子糾纏，我們可以操縱其中一個(gè)粒子造成對(duì)應(yīng)粒子的即時(shí)、相應(yīng)變化，進(jìn)而完成收發(fā)“宇宙短信”的動(dòng)作。
不過(guò)，這一應(yīng)用還面臨著最大的問(wèn)題：一些化學(xué)學(xué)家堅(jiān)持覺得糾纏的粒子實(shí)際上并不能傳送信息。若果是這樣的情況，那我們的名單中的下一個(gè)項(xiàng)目，則永遠(yuǎn)不會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。
遠(yuǎn)距傳輸從懸疑到現(xiàn)實(shí)
懸疑片，尤其是太空題材的，最愛遠(yuǎn)距傳輸：偌大的一個(gè)人，在一個(gè)地方神秘消失，不須要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方頓時(shí)出現(xiàn)。
遠(yuǎn)距離傳輸就是量子態(tài)隱型傳輸，是在無(wú)比獨(dú)特的量子世界里，量子呈現(xiàn)的“糾纏”運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。該狀態(tài)的光子就像有“心電感應(yīng)”，能使須要傳輸?shù)牧孔討B(tài)“超時(shí)空穿越”，在一個(gè)地方神秘消失，不須要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方頓時(shí)出現(xiàn)。在“超時(shí)空穿越”中它傳輸?shù)牟辉偈蔷湫畔ⅲ橇孔討B(tài)攜帶的量子信息，這種量子信息是未來(lái)量子通訊網(wǎng)路的組成要素。
此前，IBM團(tuán)隊(duì)的6名工程師證明，遠(yuǎn)距傳輸完全可以實(shí)現(xiàn)，起碼從理論上來(lái)講是這樣。但必須注意的是，“原對(duì)象”在此過(guò)程上將消失——因?yàn)檫h(yuǎn)距傳輸可不是“傳真機(jī)”，你原先那份“文件”是會(huì)被它銷毀的。其似乎“復(fù)制”原物體的過(guò)程，實(shí)際也是對(duì)原物體的一種改變。
2009年，法國(guó)喀麥隆太原立學(xué)院聯(lián)合量子研究所的科學(xué)家進(jìn)行的“量子信息處理”的實(shí)驗(yàn)中，成功地實(shí)現(xiàn)了從一個(gè)原子到1米外的一個(gè)容器里的另一個(gè)原子的量子隱型傳輸。雖然在實(shí)驗(yàn)中是一個(gè)原子轉(zhuǎn)弄成另一個(gè)原子，由第二個(gè)原子飾演起第一個(gè)原子的角色，與“原物傳送”的概念不同，但原子對(duì)原子的傳輸，卻對(duì)于研發(fā)超密超快的量子計(jì)算機(jī)和量子通訊具有重大意義。
沒錯(cuò)，遠(yuǎn)距傳輸并除了在傳輸物體這一目標(biāo)上才有價(jià)值，在達(dá)到這一目的之前，通往“圣域”的各項(xiàng)研究也被證明在其他多重領(lǐng)域大有作為。而所有的量子熱學(xué)研究，甚至人類所有的科學(xué)活動(dòng)，亦同此理。