在實(shí)際生活中，量子物理有用嗎？

我們的意識(shí)還留在夢(mèng)想的世界里，但是雙腳已經(jīng)踏上了陸地。

我們降落了……

每當(dāng)說起量子的時(shí)候，我們總試圖給出又抽象又哲學(xué)的解釋。這種不精確又有點(diǎn)奇怪的理論總顯得離我們很遠(yuǎn)，好像與日常生活沒有什么關(guān)系。這時(shí)我們就會(huì)問：在實(shí)際生活中，量子物理有用嗎？

答案當(dāng)然是肯定的！現(xiàn)實(shí)中大部分的科學(xué)技術(shù)和超過三分之一的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品都是以量子理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。當(dāng)我們說到經(jīng)濟(jì)和數(shù)字的時(shí)候，就像安托萬·德·圣－?？颂K佩里在《小王子》中寫到的——我們已經(jīng)實(shí)際到不能再實(shí)際了。

在實(shí)驗(yàn)室或者歐洲核子研究組織這樣的研究機(jī)構(gòu)中，人們開展的研究都是如何讓粒子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到光速，以模擬宇宙起源時(shí)的環(huán)境。但是，如果你只想接觸量子理論，完全沒有必要來這些地方。

只要到一個(gè)商業(yè)中心就足夠了。

《小王子》（圖片來源：必應(yīng)圖庫）

無法量化的并不是不存在的

大人們都很喜歡數(shù)字。當(dāng)他們介紹新朋友的時(shí)候，幾乎從來不問朋友的最基本情況，比如他說話什么聲音、他喜歡玩什么游戲、他收集蝴蝶標(biāo)本嗎，等等；相反，總是問他多大了、有幾個(gè)兄弟姐妹、體重多少、爸爸掙多少錢。

他們認(rèn)為獲得了這些信息，就算是了解朋友了。假如我們對(duì)大人說“我看見了一座漂亮的粉色磚房，窗臺(tái)上擺著天竺葵，房頂上落著白鴿”，他們永遠(yuǎn)也想象不出房子的樣子，但如果我們告訴他們的是“我看到了一座50萬美元的房子”，大人們準(zhǔn)會(huì)激動(dòng)地說：“哇，那一定很漂亮吧！”

——《小王子》，安托萬·德·圣－埃克蘇佩里

如果我們走近商業(yè)中心那些大大的玻璃門，它會(huì)像被施了魔法一樣自動(dòng)打開，這個(gè)在生活中已經(jīng)普遍應(yīng)用的自動(dòng)門就是利用了光電效應(yīng)。

自動(dòng)門上裝有一種叫作光電管的東西，它是由半導(dǎo)體薄片構(gòu)成的傳感器。當(dāng)傳到傳感器的光束被打斷，電動(dòng)裝置就會(huì)被激活，于是門自動(dòng)打開。

商場(chǎng)自動(dòng)門（圖片來源：視覺中國）

假設(shè)這個(gè)商場(chǎng)的第一間商店專營電子產(chǎn)品，我們能在那里找到很多利用光電效應(yīng)的商品。貴重物品裝有的報(bào)警器、屋頂?shù)幕馂?zāi)報(bào)警設(shè)備也都基于量子理論。除此之外，與量子理論有關(guān)的產(chǎn)品還有很多，比如數(shù)碼相機(jī)、光控?zé)糸_關(guān)的傳感器、用太陽能光伏板充電的計(jì)算器，等等。

屋頂火災(zāi)報(bào)警器（左）和收銀掃碼機(jī)（右）（圖片來源：視覺中國）

我們繼續(xù)在這個(gè)大型量子商場(chǎng)里逛逛，這里還有DVD機(jī)、CD機(jī)、激光打印機(jī)、光學(xué)鼠標(biāo)，甚至還有收銀員掃條形碼時(shí)會(huì)發(fā)出滴滴響聲的機(jī)器。

所有這些設(shè)備都以激光為基礎(chǔ)。激光，其實(shí)是受激輻射光放大的簡(jiǎn)稱1，這也是一種建立在輻射基礎(chǔ)上的科技。假如沒有發(fā)現(xiàn)量子世界的運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律，這項(xiàng)技術(shù)也不可能得到如此的發(fā)展。

從電子產(chǎn)品到醫(yī)學(xué)外科，從測(cè)繪到軍事工業(yè)，激光的應(yīng)用非常廣泛。

在這個(gè)商場(chǎng)里，不難找到其他運(yùn)用量子科技的產(chǎn)品。我們身邊的幾乎所有東西都運(yùn)用了20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一 ——晶體管。

晶體管（圖片來源：Veer圖庫）

如果沒有晶體管，現(xiàn)代電子業(yè)也得不到發(fā)展，手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、收音機(jī)、電視機(jī)等，將統(tǒng)統(tǒng)不復(fù)存在。晶體管無處不在！

我們可以把晶體管想象成電子水龍頭，它們?cè)陔娐分衅鸬搅朔峙浜土炕?a href="http://srfitnesspt.com/tags/電流/" target="_blank">電流的作用。晶體管于1947年在格拉漢姆·貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生，從此取代了“真空管”。我們可以將真空管看成巨大的燈泡，它大約有一只手掌那么大，而現(xiàn)在的晶體管只有一厘米的百萬分之一那么大。

最初的計(jì)算機(jī)使用的是真空管，體積大到需要占用好幾個(gè)房間，而且價(jià)格昂貴，因此只用于軍事領(lǐng)域。

有了晶體管之后，芯片就誕生了，它實(shí)現(xiàn)了電路的小型化。從此之后，曾經(jīng)那般巨大的電腦才有可能縮成公文包大小。

電腦芯片（圖片來源：Veer圖庫）

如今，芯片被廣泛應(yīng)用在電腦之外的很多地方，讓許多產(chǎn)品發(fā)生了巨大的變化：座機(jī)電話變成了手機(jī)，傳統(tǒng)相機(jī)變成了數(shù)碼相機(jī)，唱片機(jī)變成了MP3，紙質(zhì)書報(bào)變成了平板電腦上能看的電子書。

所有工業(yè)產(chǎn)品的革新都得益于這項(xiàng)神奇的技術(shù)，這都是量子理論帶給我們的！

其實(shí)量子理論也不僅應(yīng)用于電子產(chǎn)品，引導(dǎo)醫(yī)學(xué)革新的核磁共振成像也同樣是量子科技進(jìn)步的成果。

核磁共振成像（圖片來源：Veer圖庫）

在商業(yè)中心逛了一圈之后，我們已經(jīng)了解了量子理論在生活中的應(yīng)用。

現(xiàn)在又是幻想的時(shí)候了。如果說領(lǐng)會(huì)量子世界的秘密已經(jīng)讓我們走到了這里，那么我們即將擁有的勢(shì)必更加振奮人心。

第二次量子革命

如今，我們不僅了解了材料的構(gòu)成，而且還實(shí)現(xiàn)了不少創(chuàng)舉，比如控制單獨(dú)的原子、解密遺傳密碼。對(duì)材料的掌握程度正改變著人類看待世界和看待自己的方式。

量子學(xué)和生物技術(shù)之間的關(guān)系日趨緊密，量子技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得以應(yīng)用，比如利用量子點(diǎn)進(jìn)行的放射療法（靶精確瞄準(zhǔn)癌細(xì)胞，避免健康細(xì)胞遭到破壞）。

下面來看幾個(gè)第二次量子革命的成果。

1.量子計(jì)算機(jī)

電腦的性能取決于集成電路芯片的數(shù)量。英特爾的合伙創(chuàng)始人戈登·摩爾在1965年提出了摩爾定律，預(yù)測(cè)集成電路上可容納的晶體管數(shù)目大約每18個(gè)月便會(huì)翻倍。

這種增長是指數(shù)級(jí)的，讓人難以想象，因?yàn)槲覀兊念^腦更習(xí)慣于進(jìn)行線性計(jì)算。為了更形象地說明這一點(diǎn)，我們只要知道，現(xiàn)在隨便一個(gè)人口袋里手機(jī)的性能，都比美國國家航空航天局第一次發(fā)送人類登月時(shí)用的計(jì)算機(jī)的性能強(qiáng)好多就行了。

但是依據(jù)摩爾定律，這種增長有一個(gè)界限：當(dāng)晶體管小到原子大小，就不再適用了。到那時(shí)，量子力學(xué)中那些最奇特的法則就會(huì)生效，比如電子會(huì)因?yàn)椤八泶迸艿诫娋€之外，那短路就是必然的結(jié)果。

這便是量子計(jì)算機(jī)投入使用的時(shí)刻了。

在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，信息的最小單位是比特，也就是二進(jìn)制，用“0”和“1”表示；在原子世界中，量子計(jì)算機(jī)運(yùn)用的量子計(jì)算單位是量子位元，是“0”和“1”的量子疊加。

（圖片來源：視覺中國）

量子力學(xué)中的“疊加”（圖片來源：http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081-p2.shtml）

由于量子位元有能力同時(shí)處理不同狀態(tài)的任務(wù)，因此我們可以利用它同時(shí)完成疊加任務(wù)，就好像我們的電腦同時(shí)在多個(gè)世界中運(yùn)行一樣，大大縮短了得到最終答案的時(shí)間。

用量子計(jì)算機(jī)可以瞬間解決的問題之一就是因式分解。

我們?cè)诰W(wǎng)購的時(shí)候，有時(shí)會(huì)用到信用卡，信用卡的信息需要在這一過程中做匯編處理，從而避免盜刷，而因式分解是這種編碼處理的基礎(chǔ)。分解一個(gè)較小的數(shù)字還相對(duì)簡(jiǎn)單，12可以被輕松分解成3和4。但當(dāng)數(shù)字相當(dāng)大的時(shí)候，問題就會(huì)發(fā)生本質(zhì)的改變。如果讓普通計(jì)算機(jī)分解一個(gè)上百位的數(shù)字，夸張點(diǎn)說，可能需要花上一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間。

但這并不是量子計(jì)算機(jī)的主要任務(wù)。

正如我們能想到的，將解密信息的功能運(yùn)用到任何一個(gè)國家的情報(bào)機(jī)關(guān)都是非常有吸引力的，而量子計(jì)算機(jī)馬上就能讓它成真——這已經(jīng)不是一個(gè)“科幻的”美夢(mèng)了。

現(xiàn)如今，很多研究中心都已經(jīng)開始使用量子計(jì)算機(jī)做運(yùn)算了，比如賽斯·勞埃德工作的麻省理工學(xué)院，以及由西班牙人伊格納西奧·希拉克領(lǐng)導(dǎo)的德國馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所。

不過，雖然這個(gè)研究領(lǐng)域的發(fā)展速度已經(jīng)比預(yù)期快得多，但目前通過量子計(jì)算機(jī)處理完成的任務(wù)依然是十分基礎(chǔ)的問題。

例如滑鐵盧大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能成功控制12量子位元，這相當(dāng)于二進(jìn)制中的1000比特，或者相當(dāng)于一臺(tái)50年代的計(jì)算機(jī)。這個(gè)數(shù)字聽起來有點(diǎn)讓人灰心，但其實(shí)能控制的量子位元只要達(dá)到60或者70，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力就會(huì)超過世界上所有計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的總和。

量子計(jì)算機(jī)（圖片來源：必應(yīng)圖庫）

如今的量子計(jì)算機(jī)就像普通計(jì)算機(jī)誕生之初的樣子，體積大到要占據(jù)好幾個(gè)房間。量子技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)就是我們之前提到過的退相干——讓脆弱的量子態(tài)能夠保持一會(huì)兒，而不是一與外界環(huán)境接觸就被破壞，這樣我們才有可能對(duì)其進(jìn)行處理。

這些新科技的應(yīng)用可能會(huì)造成一些恐慌，譬如我們的隱私信息還是隱私嗎、使用量子計(jì)算機(jī)的人是否會(huì)輕而易舉地窺探我們的隱私？

俗話說得好，上有政策，下有對(duì)策。有了量子物理學(xué)，就相當(dāng)于有了一個(gè)新的加密系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的加密系統(tǒng)不一樣，它利用了因式分解的原理，所以是絕對(duì)安全的。

2. 量子密碼學(xué)

量子物理能夠讓我們利用它奇怪的特性，用安全的方式給信息編碼。有很多關(guān)于量子密碼的協(xié)議，我們現(xiàn)在只介紹兩個(gè)原始的：BB84協(xié)議2和E91協(xié)議3。

量子密碼學(xué)（圖片來源：必應(yīng)圖庫）

BB84協(xié)議的名稱來源于創(chuàng)造者查爾斯· 貝內(nèi)特（Charles Bennett）與吉勒斯·布拉薩德（GillesBrassard）的姓氏首字母。它大膽運(yùn)用了波函數(shù)的疊加和塌縮原理，也就是之前提過的那個(gè)“觀察和測(cè)量會(huì)改變量子狀態(tài)”的奇怪現(xiàn)象。

試想，愛麗絲想要發(fā)給鮑勃4一條秘密信息。她害怕善妒的伊娃看到信息內(nèi)容，于是決定給鮑勃發(fā)送一組密鑰—— 一組他們用作通信符號(hào)的密碼，這樣他們就可以隨意通信，避免他們發(fā)布的任何信息被人竊取。

假如愛麗絲利用一個(gè)傳統(tǒng)的通信渠道，比如一只信鴿、無線電信號(hào)等，那么伊娃就可能截取密碼。有了密碼，伊娃就可以輕松破解愛麗絲傳遞給鮑勃的信。

假如愛麗絲能利用量子世界的特性，那么一切就會(huì)截然不同。她可以將信息存儲(chǔ)到量子粒子上，一旦伊娃截取了信息，那么她對(duì)粒子的觀察或者測(cè)量就會(huì)改變粒子狀態(tài)，原始編碼也就被破壞了。

當(dāng)鮑勃拿到被伊娃截取過的密鑰的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有人在他之前看到過密鑰。這樣，伊娃截取密鑰的事實(shí)就暴露了。

愛麗絲和鮑勃這時(shí)需要做的就是放棄這組密鑰，繼續(xù)發(fā)送新的密鑰，直到確定一個(gè)沒有被伊娃截取的密鑰。一旦有了新的密鑰，他們就可以自由而安全地交流了，因?yàn)橹挥兴麄儍蓚€(gè)有通信符號(hào)。

量子密鑰分發(fā)（圖片來源：http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081-p5.shtml）

E91協(xié)議利用的是量子物理學(xué)的另外一個(gè)現(xiàn)象：量子糾纏態(tài)。

為了不讓伊娃截取密鑰，愛麗絲這次利用了愛波羅悖論來復(fù)制量子隱形傳送。

青海湖湖心島的百公里級(jí)量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)（圖片來源：http://tech.sina.com.cn/d/2017-08-31/doc-ifykpysa2199081-p6.shtml）

將密鑰通過量子隱形傳送的方式傳給鮑勃，就不會(huì)有任何人能夠截取它，因?yàn)殡[形傳送不需要借助任何通道，信息可以直接“出現(xiàn)”在收件人的手上。

下面就來具體介紹一下利用糾纏態(tài)的量子隱形傳送。

盡管量子加密聽起來還有點(diǎn)像科幻小說里的內(nèi)容，但現(xiàn)在已經(jīng)有一些公司提供這樣的商業(yè)服務(wù)了，比如日內(nèi)瓦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立的Id Quantique公司。2007年的瑞士大選就運(yùn)用了量子加密模式來保證投票的安全。

3. 量子隱形傳送

對(duì)乾坤大挪移的想象早已存在，這在很大程度上來源于科幻故事或武俠小說。我們多么想忘掉汽車、飛機(jī)以及任何一種交通工具??！很多人都會(huì)想到《星際迷航》中的那句經(jīng)典臺(tái)詞：“斯科提，把我傳送上去！”

《星際迷航》中的傳送術(shù)（圖片來源：http://www.sohu.com/a/116457213_458808）

雖然人類的隱形傳送還僅限于想象的世界，但量子的隱形傳送已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。

1993年，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用量子世界的特性，提出了實(shí)現(xiàn)量子隱形傳送的理論基礎(chǔ)。4年之后，以奧地利著名物理學(xué)家安東·蔡林格為首的研究團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了光子的隱形傳送。

墨子號(hào)”-阿里地面站量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖（圖片來源：https://news.cnblogs.com/n/615671/）

《星際迷航》中會(huì)用幾臺(tái)神奇的機(jī)器掃描將要被傳送的物體，以便在目的地重塑它。實(shí)際上，量子隱形傳送和我們?cè)陔娨晞≈锌吹降那闆r還是有所不同的。

量子力學(xué)在這里給我們出了一個(gè)難題。海森堡不確定性原理告訴我們，電子的位置和速度無法同時(shí)被準(zhǔn)確測(cè)量，因此我們無法精確地掃描一個(gè)人或一個(gè)東西，然后在另外一個(gè)地點(diǎn)重塑它們。

量子隱形傳送利用糾纏態(tài)避免了這個(gè)問題。

試想愛麗絲想從地球?qū)⒁粋€(gè)物體（在實(shí)踐過程中，物體會(huì)被縮小成幾個(gè)原子，但是為了舉例方便，依然使用“物體”這個(gè)詞）傳送到阿爾法空間站這么一個(gè)特殊的地方，她的朋友鮑勃在那里。

愛麗絲將要傳送的物體放在粒子拼盤中，這些粒子和鮑勃所在的空間站的粒子拼盤處于糾纏態(tài)。在特定時(shí)刻，鮑勃空間站里的粒子就會(huì)還原為初始對(duì)象，量子隱形傳送就實(shí)現(xiàn)了 。

這個(gè)過程有很多值得推敲的細(xì)節(jié)。第一點(diǎn)是，我們傳送的究竟是信息（或者說量子態(tài)），還是物體本身？我們需要鮑勃拿到的粒子拼盤和被傳送物體的質(zhì)量相同。

第二點(diǎn)是，我們說的是量子隱形傳送，而不是量子復(fù)印機(jī)。這要求不對(duì)被傳送物體進(jìn)行任何復(fù)制，傳送任務(wù)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，也是原始物體自毀的時(shí)候。針對(duì)這一問題，量子力學(xué)中有一個(gè)定理叫不可克隆定理，即禁止對(duì)一個(gè)物體進(jìn)行完全復(fù)制。

雖然人類的隱形傳送仍然停留在科幻小說中，但這項(xiàng)技術(shù)很快就會(huì)在信息加密中有所應(yīng)用。

譯者注釋:

1.英語 laser，light ampli?cation by stimulated emission of radiation 的首字母

縮寫。

2.查爾斯·貝內(nèi)特與吉勒斯·布拉薩德于 1984 年發(fā)表的論文中提到的量子秘鑰密碼分發(fā)協(xié)議，所以被稱為 BB84 協(xié)議。

3.由阿圖爾·艾克特于 1991 年發(fā)表，故稱 E91 協(xié)議。應(yīng)用了量子糾纏技術(shù)。

4.Alice 和 Bob 二者都是在密碼學(xué)和電腦安全中的慣用角色。