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刘亚雄:我们身边的量子力学

2017年06月16日 00:00:00 浏览:41995次 来源:量子科学 供稿

 

 

    数千年来,人类一直依靠天生的直觉来认识自然界运行的原理。虽然这种方式让我们在很多方面误入歧途,譬如,曾一度坚信地球是平的。但从总体上来说,我们所得到的真理和知识,远远大过谬误。正是在这种虽缓慢、成效却十分积极的积累过程中,人们逐渐摸索总结出了运动定律、热力学原理等知识,自身所处的世界才变得不再那么神秘。于是,直觉的价值,更加得到肯定。但这一切,截止到量子力学的出现。 

 

        这是被爱因斯坦和玻尔用“上帝跟宇宙玩掷骰子”来形容的学科,也是研究“极度微观领域物质”的物理学分支,它带来了许许多多令人震惊不已的结论——科学家们发现,电子的行为同时带有波和粒子的双重特征(波粒二象性),但仅仅是加入了人类的观察活动,就足以立刻改变它们的特性;此外还有相隔千里的粒子可以瞬间联系(量子纠缠):不确定的光子可以同时去向两个方向(海森堡测不准原理);更别提那只理论假设的猫既死了又活着(薛定谔的猫)……

 

        诸如以上,这些研究结果往往是颠覆性的,因为它们基本与人们习惯的逻辑思维相违背。以至于爱因斯坦不得不感叹道:“量子力学越是取得成功,它自身就越显得荒诞。”

 

        到现在,与一个世纪之前人类刚刚涉足量子领域的时候相比,爱因斯坦的观点似乎得到了更为广泛的共鸣。量子力学越是在数理上不断得到完美评分,就越显得我们的本能直觉竟如此粗陋不堪。人们不得不承认,虽然它依然看起来奇异而陌生,但量子力学在过去的一百年里,已经为人类带来了太多革命性的发明创造。正像詹姆斯·卡卡廖斯在《量子力学的奇妙故事》一书的引言中所述:“量子力学在哪?你不正沉浸于其中吗。”

陌生的量子,不陌生的晶体管

 

        美国《探索》杂志在线版给出的真实世界中量子力学的一大应用,就是人们早已不陌生的晶体管。

 

        1945年的秋天,美国军方成功制造出世界上第一台真空管计算机ENIAC。据当时的记载,这台庞然大物总重量超过30吨,占地面积接近一个小型住宅,总花费高达100万美元。如此巨额的投入,注定了真空管这种能源和空间消耗大户,在计算机的发展史中只能是一个过客。因为彼时,贝尔实验室的科学家们已在加紧研制足以替代真空管的新发明——晶体管。

 

        晶体管的优势在于它能够同时扮演电子信号放大器和转换器的角色。这几乎是所有现代电子设备最基本的功能需求。但晶体管的出现,首先必须要感谢的就是量子力学。

 

        正是在量子力学基础研究领域获得的突破,斯坦福大学的研究者尤金·瓦格纳及其学生弗里德里希·塞茨得以在1930年发现半导体的性质——同时作为导体和绝缘体而存在。在晶体管上加电压能实现门的功能,控制管中电流的导通或者截止,利用这个原理便能实现信息编码,以至于编写一种1和0的语言来操作它们。此后的10年中,贝尔实验室的科学家制作和改良了世界首枚晶体管。1954年,美国军方成功制造出世界首台晶体管计算机TRIDAC。与之前动辄楼房般臃肿的不靠谱的真空管计算机前辈们相比,TRIDAC只有3立方英尺大,功率不过100瓦。今天,英特尔和AMD的尖端芯片上,已经能够摆放数十亿个微处理器。而这一切都必须归功于量子力学。

量子干涉“搞定”能量回收

 

        无论怎样心怀尊敬,对于我们来说,都不太容易能把量子力学代表的理论和它带来的成果联系在一起,因为他们听起来就是完全不相干的两件事。而“能量回收”就是个例子。

 

        每次驾车出行,人们都会不可避免地做一件负面的事情——浪费能量。因为在发动机点燃燃料以产生推动车身前进的驱动力同时,相当一部分能量以热量的形式散失,或者直白地说,浪费在空气当中。对于这种情况,美国亚利桑那大学的研究人员试图借助量子力学中的量子干涉原理来解决这一问题。

 

        量子干涉描述了同一个量子系统若干个不同态叠加成一个纯态的情况,这听起来让人完全不知所谓,但研究人员利用它研制了一种分子温差电材料,能够有效地将热量转化为电能。更重要的是,这种材料的厚度仅仅只有百万分之一英尺,在其发挥功效时,不需要再额外安装其他外部运动部件,也不会产生任何污染。研究团队表示,如果用这种材料将汽车的排气系统包裹起来的话,车辆因此将获得足以点亮200只100瓦灯泡的电能——尽管理论让人茫然,但这数字可是清晰可见的。

 

        该团队因此对新型材料的前途充满信心,确定在其他存在热量损失的领域,该材料同样能够发挥作用,将热能转变为电能,比如光伏太阳能板。而我们只需知道,这都是量子干涉“搞定”的。

不确定的量子,极其确定的时钟

 

        作为普通人,一般是不会介意自己的手表快了半分钟,还是慢了十几秒。但是,如果是像美国海军气象天文台那样为一个国家的时间负责,那么这半分半秒的误差都是不被允许的。好在这些重要的组织单位都能够依靠原子钟来保持时间的精准无误。这些原子钟比之前所有存在过的钟表都要精确。其中最强悍的是一台铯原子钟,能够在2000万年之后,依然保持误差不超过1秒。

 

        看到这种精确的能让人紊乱的钟表后,你也许会疑惑难道真的有什么人或者什么场合会用到它们?答案是肯定的,确实有人需要。比如航天工程师在计算宇宙飞船的飞行轨迹时,必须清楚地了解目的地的位置。不管是恒星还是小行星,它们都时刻处在运动当中。同时距离也是必须考虑的因素。一旦将来我们飞出了所在星系的范围,留给误差的边际范围将会越来越小。

 

        那么,量子力学又与这些有什么关系呢?对于这些极度精准的原子钟来说,导致误差产生的最大敌人,是量子噪声。它们能够消减原子钟测量原子振动的能力。现在,来自德国大学的两位研究人员已经开发出,通过调整铯原子的能量层级来抑制量子噪声程度的方法。它们目前正在试图将这一方法应用到所有原子钟上去。毕竟科技越发达,对准时的要求就越高。

量子密码之战无不胜

 

        斯巴达人一向以战斗中的勇敢与凶猛闻名于世,但是人们并不能因此而轻视他们在谋略方面的才干。为了防止敌人事先得知自己的军事行动,斯巴达人使用一种被称作密码棒的东西来为机密信息加密和解密。他们先将一张羊皮纸裹在一根柱状物上,然后在上面书写信息,最后再将羊皮纸取下。借助这种方式,斯巴达的军官能够发出一条敌人看起来语无伦次的命令。而己方人员只需再次将羊皮纸裹在同等尺寸的柱状物上,就能够阅读真正的命令。

 

        斯巴达人朴素的技巧,仅仅是密码学漫长历史的开端。如今,依靠微观物质一些奇异特性的量子密码学,已经公开宣称自己无解。它是一种利用量子纠缠效应、基于单光子偏振态的全新信息传输方式。其安全之处在于,每当有人闯入传输网络,光子束就会出现紊乱,每个结点的探测器就会指出错误等级的增加,从而发出受袭警报;发送与接收双方也会随机选取键值的子集进行比较,全部匹配才认为没有人窃听。换句话说,黑客无法闯入一个量子系统同时不留下干扰痕迹,因为仅仅尝试解码这一举动,就会导致量子密码系统改变自己的状态。相应的,即便有黑客成功拦截获得了一组密码信息的解码钥匙,那他在完成这一举动的同一时刻,也导致了密钥的变化。因而当合法的信息接收者检查钥匙时,就会轻易发现端倪,进而更换新的密钥。

 

        量子密码的出现一直被视为“绝对安全”的回归,不过,天下没有不透风的墙。拥有1000多年前那部维京时代海盗史的挪威人,已经打破了量子密码无解的神话。借助误导读取密码信息的设备,他们在不尝试解码的条件下,就获得了信息。但他们承认,这只是利用了现存技术上的一个漏洞,在量子密码术完善后即可趋避。

随机数发生器:上帝的“量子骰子”

 

        所谓的随机数发生器,并不是老派肥皂剧中那些奇幻神秘的玩意。它们借助量子力学,能够召唤出真正的随机数。不过,科学家们为什么要不辞劳苦地深入量子世界来寻找随机数,而不是简单轻松地抛下硬币、掷个骰子?答案在于:真正的随机性只存在于量子层级。实际上只要科学家们收集到关于掷骰子的足够信息,那么他们便能够提前对结果做出预测。这对于轮盘赌博、彩票甚至计算机得出的开奖结果等等,统统有效。

 

        然而,在量子世界,所有的一切都是绝对无法预测的。马克斯·普朗克大学光学物理研究所的研究人员正是借助这一不可预知性,制作出了“量子骰子”。他们先是通过在真空中制造波动来产生出量子噪声,然后测量噪声所产生的随机层级,借此获得可以用于信息加密、天气预演等工作的真正随机数字。值得一提的是,这种骰子被安装在固态芯片上,能够胜任多种不同的使用需求。

我们与激光险些失之交臂

 

        与量子力学的经历相似,激光在早期曾经也被认为是“理论上的巨人,实际应用上的侏儒”。但今天,无论是家用CD播放器,还是“导弹防御系统”,激光已经在当代人类的社会生活中,占据了核心地位。不过,如果不是量子力学,我们与激光的故事,很可能是以“擦身而过”而收场。

 

        激光器的原理,是先冲击围绕原子旋转的电子,令其在重回低能量级别时迸发出光子。这些光子随后又会引发周围的原子发生同样的变化,即发射出光子。最终,在激光器的引导下,这些光子形成稳定的集中束流,即我们所看到的激光。当然,人们能够知晓这些,离不开理论物理学家马克斯·普朗克及其发现的量子力学原理。普朗克指出,原子的能量级别不是连续的,而是分散、不连贯的。当原子发射出能量时,是以在离散值上被称作量子的最小基本单位进行的。激光器工作的原理,实际上就是激发一个特定量子散发能量。

专门挑战极端的超精密温度计

 

        如果用普通的医用温度计,去测量比绝对零度低百分之一的温度,这支温度计的下场可想而知。那么如何去对付这样的极端温度呢?耶鲁大学的研究人员发明了一支可以对付这些情况的神奇温度计。它不仅能在极端环境中保持坚挺,更能够提供无比精确的数值。

 

        为制作这种温度计,研究团队必须重新梳理温度计的设计思路。比如获得精确数值的方式。幸运的是,在追寻精确的过程中,科学家们借助量子隧道得到了自己想要的答案。就像钻入山体内部而不是在其表面爬上爬下,粒子在穿越势垒的过程中,产生出了量子噪声。使用研究团队的量子温度计去测量这些噪声,便能够精确地得出实验物体的温度。

 

        虽然这种温度计对于普通人的日常生活并没有太大的意义,但是在科学实验室,尤其是那些需要极低温度环境的材料实验室它就可以大展身手了。现在,研究者们还在努力通过各种手段提高该温度计的精确性,并期望随着它应用范围的拓展,更极端的科研环境都可以从中受益。

人人都爱量子计算机

 

        在1965年发表的一篇论文中,英特尔公司的联合创始人戈登·摩尔对计算机技术的未来发展,做了一些粗陋但却意义深远的预测。其中最重要的一条便是日后著名的摩尔定律:每平方英尺集成电路上晶体管的数量,每18个月便会翻两倍。这一定律对计算机技术的发展产生了深远影响,但是现在,摩尔定律似乎走到了尽头,因为到2020年,硅芯片将会达到自身的物理极限,而随着晶体管体积的不断缩小,它们将开始遵循量子世界的各种规律。

 

        和量子世界的规律“抱有敌意”相比,顺应量子时代或许才是人们最好的选择。今天,那些从事量子计算机研究的科学家做的正是这件事情。相比传统计算机,量子计算机具有无可比拟的巨大优势:并行处理。借助并行处理的能力,量子计算机能够同时处理多重任务,而不是像传统计算机那样还要分出轻重缓急。量子计算机的这一特性,注定它在未来将以指数级的速度超越传统计算机。

 

        不过,在量子计算成为现实之前,科学家们还需要克服一些艰难挑战。比如,量子计算机使用的是比传统比特存储能力高出许多的量子比特,但是不幸的是,量子比特非常难以创造出来,因为这需要多种粒子共同组成网络。直到现在,科学家只能够一次性将12种粒子缠连起来。而量子计算机若要实现商业化应用,至少需要将这个数字增加数十倍甚至上百倍。

想知道什么是真正的瞬时通信吗

 

        量子力学在过去的岁月里为人们带来的成就弥足珍贵,但科学家们有理由相信,其在未来会奉献的更多。

 

        现在,当你在手机、短信、邮件以及MSN、飞信等等诸如此类的通信工具之间徜徉时,可能以为自己已经被所谓的“瞬时通信”覆盖。实际上,你发出的声音、文字、图像都需要一点时间才能达到目的地,或长或短而已。现在的人们日常所能用到的通信方式,所需时间都极其短,但在很远的未来,人和人之间的交流不会只限于大洲与大洲之间,而可能需要横跨星系,这就使通信时间大大的增加——譬如说,在今年8月6日,“好奇”号火星车登陆火星,传回的信号到达地球就有十几分钟的延迟。但这还只是在太阳系中地球和火星的距离,如果将距离延伸的更远,那么科学家们认为,只有量子力学才有能力真正实现“即时”的通信,无论距离多远。

 

        使瞬时通信成为现实的关键,在于被称为量子纠缠的量子力学现象——爱因斯坦称其为“幽灵般的远距作用”,指处于纠缠态的两个粒子即使距离遥远,也保持着特别的关联性,对一个粒子的操作会影响到另一个粒子。简单来说就是,当其中一个粒子被测量或者观测到,另一个粒子也随之在瞬间发生相应的状态改变。这种仿佛“心电感应”般的一致行动,已超出了经典物理学规则的解释范畴,因此才被爱因斯坦视作鬼魅。但利用量子纠缠,我们可以操纵其中一个粒子引起对应粒子的即时、相应变化,从而完成收发“宇宙邮件”的动作。

 

        不过,这一应用还面临着最大的问题:一些物理学家坚持认为纠缠的粒子实际上并不能传送信息。如果是这样的情况,那我们的名单中的下一个项目,则永远不会成为现实。

远距传输从科幻到现实

 

        科幻片,尤其是太空题材的,最爱远距传输:偌大的一个人,在一个地方神秘消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方瞬间出现。

 

        远距离传输就是量子态隐形传输,是在无比奇特的量子世界里,量子呈现的“纠缠”运动状态。该状态的光子如同有“心电感应”,能使需要传输的量子态“超时空穿越”,在一个地方神秘消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方瞬间出现。在“超时空穿越”中它传输的不再是经典信息,而是量子态携带的量子信息,这些量子信息是未来量子通信网络的组成要素。

 

        此前,IBM团队的6名工程师证明,远距传输完全可以实现,至少从理论上来讲是这样。但必须注意的是,“原对象”在此过程中将消失——因为远距传输可不是“传真机”,你原来那份“文件”是会被它销毁的。其貌似“复制”原物体的过程,实际也是对原物体的一种改变。

 

        2009年,美国马里兰州立大学联合量子研究所的科学家进行的“量子信息处理”的实验中,成功地实现了从一个原子到1米外的一个容器里的另一个原子的量子隐形传输。尽管在实验中是一个原子转变成另一个原子,由第二个原子扮演起第一个原子的角色,与“原物传送”的概念不同,但原子对原子的传输,却对于研制超密超快的量子计算机和量子通信具有重大意义。

 

        没错,远距传输并不仅在传输物体这一目标上才有价值,在达到这一目的之前,通往“圣域”的各项研究也被证明在其他多重领域大有作为。而所有的量子力学研究,甚至人类所有的科学活动,亦同此理。

 

排名不分先后

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