新華網 正文
科普:量子是什麼?從“微觀世界規律”到人類“新物理革命”
2020-10-19 20:13:15 來源: 新華網
關注新華網
微博
Qzone
圖集

  新華社合肥10月19日電 題:科普:量子是什麼?從“微觀世界規律”到人類“新物理革命”

  記者徐海濤、董瑞豐

  19世紀末,歐洲一些學者認為從牛頓力學到熱力學、電磁理論,人類的“物理學大廈”已全部建成,再沒有多少可研究的了。

  但是,在1900年,德國物理學家馬克斯·普朗克提出了量子理論,為人類開啟了探索“微觀世界規律”的“新物理革命”。量子理論也與相對論一起,成為現代物理學兩大支柱。

  打開“量子之門”:微觀世界裏的奇妙“疊加”與“糾纏”

  量子是什麼?根據量子理論,量子是最小的、不可再分割的能量單位。我們中學物理書上提到的分子、原子、電子,其實都是量子的不同形式。可以説,我們的世界由量子組成,我們每個人都是“24K”純量子産品。

  在我們日常生活的宏觀世界裏,物體的位置、速度等,都可以通過經典力學精確測算。但在微觀量子世界裏,卻有著截然不同的奇妙物理規則,最有代表性的是“疊加”與“糾纏”。

  在宏觀世界,任何物體在某一時刻都有確定的狀態和位置。但在微觀世界,量子卻同時處于多種狀態和多個位置的“疊加”。

  物理學家薛定諤曾用一只貓比喻量子疊加:箱子裏有一只貓,在宏觀世界中它要麼是活的,要麼是死的。但在量子世界中,它可以同時處于生和死兩種狀態的疊加。

  如果用一個人來比喻,他不僅同時處于生和死兩種狀態的疊加,還可以同時身處多個地點,比如既在北京又在上海。

  更難以想象的是,量子的狀態還經不起“看”:如果你去測量,它就會從多個狀態、多個位置,變成一個確定的狀態和位置了。也就是説,如果你打開“薛定諤的箱子”,貓的疊加態就會消失,你會看到一只活貓或一只死貓。而“量子人”的“分身術”也會消失,他會出現在北京或上海。

  疊加已經很奇妙,但當兩個量子“糾纏”在一起,那種奇怪連愛因斯坦都難以接受。

  根據量子理論,如果兩個量子之間形成“糾纏態”,那麼無論相隔多遠,當一個量子的狀態發生變化,另一個也會“瞬間”發生相應變化。愛因斯坦曾把這一現象稱作“鬼魅般的超距作用”。

  從“被動”到“主動”,兩次“量子革命”深刻改變人類文明

  量子理論誕生一百多年來,國際學界運用多種實驗和數學方法檢驗均發現,量子的奇妙特性客觀存在。

  “量子力學是一個神秘的、令人捉摸不透的學科,我們誰都談不上真正理解,只是知道怎樣去運用它。”美國物理學家、諾貝爾獎獲得者穆雷·蓋爾曼曾這樣説。

  “量子理論的出現,在上世紀引發第一次量子革命,催生了現代信息技術。”中科院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉介紹,基于量子理論,核能、激光、半導體等科技得以問世,進而發展出計算機、互聯網、手機等重大應用。

  進入21世紀,量子領域的新發現、新理論、新技術密集涌現,預示著“第二次量子革命”已進入加速期、起跑期。

  “第二次量子革命的戰鼓已敲響!”英國《自然》雜志評論説。

  “第一次量子革命,人們只問量子理論能讓我們做什麼,不去問為什麼,是被動的觀測與應用。”中科院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦説,第二次量子革命則是主動利用量子特性,開發出量子通信、量子計算和量子精密測量等創新應用。

  這些應用的革命性在哪裏?簡單來説,量子通信可以在理論上做到通信的絕對保密,量子計算可以令人類的運算能力實現指數級增長,比如傳統計算機需要數萬年才能破解的復雜密碼,量子計算機幾秒鐘內就能破解。傳統測量技術最小只能探測到微米量級,而量子測量可以進一步精細千倍、萬倍達到原子量級。

  中國量子崛起,美好未來可期

  如今,量子科技已成為國際上風起雲涌的戰略科研方向。近期,歐盟擬投資80億歐元支持新一代超級計算技術,量子計算是其中重要內容。美國開通國家量子協調辦公室網站,並發布了聚焦八大研究領域的《量子前沿報告》。

  而經過三十多年努力,中國已崛起為國際量子科研版圖上的重要力量,在多個戰略方向上實現領跑或進入第一陣營。

  近年來,我國多次創造量子比特糾纏數量的世界紀錄;發射世界首顆量子實驗衛星“墨子號”,實現千裏糾纏、星地傳密、隱形傳態三大科學目標;開通世界首條量子保密通信幹線“京滬幹線”,實現世界首次洲際量子保密通信。

  當前,量子科技已進入“産業化前夜”。展望未來,量子計算有望為藥物研發、能源勘探、金融分析、氣象預報等大規模計算提供全新方案;量子測量發揮測量精度、靈敏度優勢,有望在科研、醫療、能源、災害預防等領域大顯身手;量子通信融合量子計算技術,構成高速、安全的“量子互聯網”,與人工智能、區塊鏈等技術相結合,可為人類生活增添無限可能。

【糾錯】 責任編輯: 吳咏玲
加載更多
天山腳下稻花香
天山腳下稻花香
金秋菊花香
金秋菊花香
秋日海岸
秋日海岸
秋日海上魔鬼城
秋日海上魔鬼城

010020020110000000000000011100001126631109