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首都科学讲堂第674期《改变世界的量子科技》

信息来源:北京科学中心      发布时间:2020-12-06

  2020年12月5日,首都科学讲堂线上开讲,本次首都科学讲堂邀请了北京量子信息科学研究院研究员,低维量子材料团队负责人常凯,为大家带来题为《改变世界的量子科技》的精彩讲座。

  

  改变世界的量子科技

  中央政治局集体学习,将高深的量子科技带进大众视野。近年来,量子科技发展突飞猛进,成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。加快发展量子科技,对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。那么,量子究竟是什么?量子态为什么一观测就坍塌?量子科技诞生120年来,两次量子技术革命给世界带来了怎样的影响?

  第一讲 什么是量子?

  很多人心中可能会有这样一个问题:量子到底是什么东西?在这里我可以给出一个我觉得相对来说比较好理解的定义——“量子”是微观世界中物质的运动形式。

  这个定义中有两个关键概念。第一是“微观世界”。所谓微观世界,肯定是非常小的世界,那么多小的世界才算是微观世界呢?比如说我们大肠里的大肠杆菌,只有1微米,也就是千分之"一毫米;再比如说新冠病毒,它的大小是100纳米,也就是万分之"一毫米,这两个当然算是小的了,但却还不是量子意义上的“小”。量子力学意义下的微观世界是指“相当于原子直径的大小”,也就是千万分之"一毫米的尺度。只有在这种微观尺度下的世界,量子力学才可以发挥作用。

  另一个关键概念叫作“运动形式”。举个例子,地球是绕着太阳转的,那么地球的这个圆周运动就是地球的一种运动形式。再比如说拨动弦乐器时,琴弦会往复地振动,这个振动就是琴弦的运动形式。所谓量子的运动形式其实也就是这个样子,只是它要更加复杂,更加反我们的直觉一些。

  在量子时代的前夜,物理学界有两大发现,其一是发现了原子和电子,19世纪末时,人们认为原子的结构是“枣糕模型”,电子就像是一些枣子一样散布在这个蛋糕里面。其二是发现了光是电磁波。

  量子这个概念的发端,就是从一个发光问题来的。我们知道,打铁时,各部位温度从低到高的颜色依次是红色、黄色、白色。这是因为温度越高,发光波长越短,这个现象的学名叫做黑体辐射。

  然而到19世纪末时,人们发现一个很奇怪的现象:若是按照经典物理的“黑体辐射”推论,随着发光波长越来越短,发光的强度是无限上升的,那么当波长无限小的时候,发光强度就会无限大。这样的话,任何有限温度的物体都可以辐射出无穷大的能量!然而这与现实情况不符合,一定是经典物理出了问题,但是问题出在哪儿却没人知道。所以大家只能把这个问题称作“紫外灾难”。

  到了1900年,普朗克提出一个假设,即电磁波必须以“整份”能量发射,不能发射“半份”,“一份能量”就被叫作一个“量子”。这就是量子的基本假设,即能量的取值要分离,变成一系列不连续的值。

  用这个假设就可以解释“紫外灾难”——普朗克提出一个常数叫“普朗克常数”,得出一个“量子”的能量=普朗克常数×频率=普朗克常数×光速/波长,这样一来,波长太短的电磁波发射“一份”所需的能量太多,所以实际上无法被发射出来,这就解释了为什么在所谓黑体辐射问题里面,不能够有无限大的紫外光。

  在量子概念诞生后的5年间,就取得了一个非常大的成果,那就是光电效应的解释。通过研究发现,是否产生光电效应,与光强无关,只是与光的颜色有关。对于此,爱因斯坦认为,光波是不连续的,每一份光波是一个“光量子”。

  这就证明光有粒子的特性,而19世纪初的双缝干涉实验证明了光有波的特性,合在一起就叫做“波粒二象性”,这是光的本质特点。光何时表现粒子性,何时表现波动性,取决于我们的观测方式。

  1924年,有一位叫德布罗意的科学家提出,如果光有“波粒二象性”,那么会不会所有的物质都有“波粒二象性”?那么怎样才能看到物质的波动性?按照德布罗意猜想的公式,越轻越小的物质波动性越强,而20世纪初的时候,人们知道的最小的粒子是电子,所以人们自然就会想到用电子去做一个干涉实验,看一下会发生什么。1927年,有三位科学家几乎同时做了电子的干涉实验,发现其结果与光的干涉实验结果是非常类似的。因此人们发现,电子原来其实也是一种波。后来科学家们还做过各种各样不同物质的双缝干涉实验,最终发现,众多微观世界中的物体都表现出波粒二象性。

  第二讲 神奇的量子态

  20世纪初,卢瑟福曾提出一个原子模型:中间有一个原子核,电子绕着原子核不停地旋转。随着原子能的应用,这个模型后来变得广为人知。但这个模型有一个问题,当电子回旋打转的时候,它还会往外辐射电磁波,这就会带走能量。时间一长,电子就慢慢地掉到原子核中去了,那整个物质就全部坍缩掉了。

  这个问题一开始是经典物理解释不了的,直到尼尔斯·玻尔,这位量子力学的奠基人之"一,给出了一个氢原子的量子模型。这个模型表明,由于电子波动性的影响,电子只能在某些分立的轨道上运动,而在这些轨道上运动的电子是稳定的,并不会逐渐损失能量,这就是电子轨道的量子化;微观粒子所处的量子化状态,称为“量子态”;而电子云就是电子作为概率波的存在形式。

  水波,电磁波都好理解,那么概率波是什么在波动呢?这就要涉及到量子态作为概率波的一个非常神奇的性质:概率叠加。

  所有的波都有可叠加的性质,比如说钱塘江大潮中的“交叉潮”,就是两列潮水沿垂直方向前进,互不干扰。当两列波走到一起时,产生的形状就是叠加的状态,那么量子态其实也是一样。我们将能稳定存在、可观测的电子轨道,称为“本征态”,用|1?、|2?、|3?表示,意味着两条轨道的状态是可以相互叠加的。这个叠加的意思就是如果一个原子处在|1?和|2?叠加的状态,那么对其进行测量的话,有50%的概率会测到是|1?态,有50%的概率测到是|2?态。也就是说,如果对一个量子态进行测量,可以得出结果处于什么态,但是无法反推这个原子一开始处于什么态。

  那么能不能通过多次测量并统计结果的方式,以概率学来还原量子态的最初状态呢?很遗憾,这也是不可能的。因为量子态还有另外一个特点:叠加态的坍缩。对于叠加态,测量等价于操作,测量结果是哪个本征态,量子态就会“坍缩”到哪个本征态,所以无法对单个量子态进行反复测量,从而反推初始态。

  最后,量子态还有一个非常神奇的特性,叫作量子纠缠。如果两个原子间产生关联,制备如下量子态,|11?+|22?,也就是说要么是A和B处在|1?态,要么是A和B处在|2?态。把这两个原子分开,分多远都行,只要分开的过程不要受到干扰就可以,然后我对原子A进行测量,那么有50%的概率测到原子A是处在|1?态。再测量原子B,100%概率也是|1?态。这是一个非常神奇的现象,也是量子力学的魅力。至于为什么会有量子纠缠,现在真的是说不清楚,但是这是我们经过了大量的实验所总结出来的一个确实存在的现象。

  运用量子态的特性,可以进行许多有趣的实验,比如著名的“薛定谔的猫”就是一个综合运用量子态叠加、纠缠、坍缩性质的思想实验。

  第三讲 身边的量子——第一次量子科技革命

  量子力学诞生之"后,曾有过一场世纪之"争。通过前面两个小节,不难发现,量子力学带来的新世界观冲击着19世纪以来形成的哲学体系:世界的本质是概率的,而非决定论的;在观测前,被观测物的状态是不确定的,通过观测才能被确定;物理过程非定域的,相隔很远的物体也可以通过量子纠缠瞬间发生相互作用。这些就是以波尔为代表的“哥本哈根诠释”派的观点。

  而反“哥本哈根诠释”派的代表人物爱因斯坦认为,“上帝是不掷骰子的!”“难道当我不看月亮的时候,它就不存在了吗?”量子纠缠是“鬼魅般的超距作用”!

  1935年,爱因斯坦、波多尔斯基、罗森共同发表论文,提出了“EPR佯谬”,在此基础上发展出了隐变量理论。1964年,有一位叫做贝尔的工程师提出可以通过一个不等式来检验隐变量是不是真正存在。

  严格检验“隐变量”是否存在的数学标准是,在一个量子系统中,若四个概率之"间有如下关系:

  

  则隐变量可能存在。否则,说明隐变量不存在,量子态的本质就是概率的。

  虽然以当时的实验技术来说,人们无法真正用它来验证理论的哲学争辩,但这并不影响科学家们在量子理论的指导下做出新的发明创造,这就直接引发了从20世纪中叶开始的第一次量子科技革命。

  其中,最具代表性的事件就是1947年世界上第一个半导体晶体管的诞生。半导体的性质必须通过从量子力学导出的能带理论才能够解释。接下来的几十年间,半导体技术发展迅猛,从集成电路的诞生到英特尔第一个微处理器4004包含2250个晶体管,再到华为麒麟9000处理器153亿个晶体管……可以说,半导体技术是信息时代的基础。

  另外,在量子力学建立之"后,人们才知道,原来磁性是一种宏观量子现象。电子自旋产生磁矩,一个电子相当于一个小磁针,材料中大量电子磁矩沿同一方向排列,产生宏观磁性。量子力学的原理决定了电子磁矩的分布。所以我们发明了像硬盘这样能够大量存储数据的介质,也就奠定了大数据时代的物质基础。

  除此之"外,还有激光、核磁共振、超导等,都是第一次量子科技革命中所产生的革命性的应用,可以说量子科技在我们的生活中已经无处不在。

  前面提过,贝尔提出不等式后,还没能真正做成裁判,这个局面到20世纪70年代终于被打破。1972年,S. J.弗里德曼和J. F.克劳泽进行了第一个贝尔不等式验证实验,结果支持量子力学。30多年来,众多实验结果均支持量子力学,而与隐变量理论不符。2015年,荷兰代尔夫特理工大学R.韩森领导的小组进行了几乎无漏洞的贝尔不等式验证,基本宣告了隐变量理论的失败。

  虽然爱因斯坦最终在这场世纪之"辩中落败,但他的思考启发了后人,间接导致了贝尔不等式的产生,进而产生了基于贝尔不等式的“贝尔态”,从而为现代量子计算与量子通信打下了基础。爱因斯坦的思考虽不正确,但绝不是毫无价值,科学研究不怕错,只怕不思考、不实践。

  第四讲 未来的量子——第二次量子科技革命

  说完第一次量子科技革命,接下来讲一讲,未来的量子世界是什么样子的,也就是第二次量子科技革命。

  打个比方,第一次量子科技革命就好像是我们买房子,可能没有什么钱,也没有多少选择,所以主要关心户型(量子态的类型)、楼层(量子态的能量),也就是利用天然存在的量子态,主要操控量子态的能量。而到第二次量子科技革命的时候,相当于买房子时有钱了,房源的选择也多了,那么除了户型、楼层之"外,还要关心房子的朝向(量子态的相位)、边户还是中间户(拓扑性质)、周边环境(量子态与环境的纠缠)等,也就是要人工精准定制量子态,全面操控量子态的各种属性。

  总的来说,第二次量子科技革命包括四大主要方面,即量子计算、量子通信、量子的精密测量,以及量子材料与物态。

  传统计算机的集成电路是基于硅来做的,随着集成电路里连线的粗细逼近原子直径,传统芯片受制于量子隧穿效应,发展遭遇瓶颈。一个根本性的解决办法是寻求全新的计算机理,也就是量子计算。

  经典计算机的基本逻辑单元是比特,它是一个开关,只有两种状态,要么是开,要么是关,我们把这两种状态记作0或者1。在一个32比特的存储器中,我们最多可以存储一个9位的小数。

  而量子计算机的基本逻辑单元是量子比特,其状态可以被近似地认为是一个球面。在这个球上有南极、北极,只有这两个点对应的是我们经典比特里面的开和关,或者是0和1的那个状态。而球上其他的所有点都是所谓的量子叠加的状态,就是0和1量子叠加的状态。那么一个量子比特它可以处在0和1叠加,就是a|0?+b|1?,我们看到一个量子比特就可以存两个数,两个量子比特就可以处在|00?|01?|10?|11?这4种叠加状态的纠缠中,其中可以存四个数。依此类推,N个量子比特就可以存储2N个数。按照这个规律发展下去,50个量子比特的容量就相当于目前最大的超级计算机,300个量子比特的容量就相当于宇宙中所有原子的数量,所以说量子计算的处理潜力是几乎无穷无尽,让人难以想象的。

  量子计算的应用范围极为广阔,如有望破解目前银行普遍使用的RSA加密等,它就像尖锐的矛,可以穿透传统的各种保密系统。那么量子计算成熟以后,我们要怎么样保护我们的信息?这就需要量子通信出场了。量子通信的核心就是保密,所以也被叫作量子保密通信。

  传统保密的方式就是用密码,这就会造成一个问题:如果密钥被人拿到了,只要这个密钥还没有过期,别人就可以肆无忌惮地去读取这些保密的信息。而量子通信不是用数学的方法,它是直接从物理的层面杜绝窃听的发生。

  量子通信利用对光子偏振特性的调控和测量实现,如果通信中途有人窃听,光子偏振的方向就有可能发生改变,如果发送方和接收方的密钥不能对比上,就说明有人窃听,通信就要终止。通过这种方法,可以实现完全防窃听。

  接下来讲一下量子精密测量,这个可以分为两大方面:计量和测量。计量就是要精确地定义各种物理单位,如怎么样算一米,怎么样算一秒。测量就是测量一个具体物体的物理属性,如它是多少米、多少秒。

  传统的计量单位定义依赖特定物体,难以保证精度与稳定性,因为仪器只要使用了就会有磨损,会不准确。直到20世纪下半叶,人们渐渐把计量单位量子化。例如把“米”的定义改成“真空中的光在1/299792458秒内的行程”,这样就不依赖个别物体,具有高准确性、重复性。

  有了计量单位的定义,下一步就要去做测量。量子精密测量的范围就更加广泛了,比如说时间测量,有原子钟,可以做到每300亿年差1秒(10-18),角度测量有原子陀螺仪,潜艇定位每月误差1米等。

  最后,量子材料与物态领域有许多有趣的方向,如拓扑量子材料、新型超导材料、低维材料等,也都有着广阔的应用前景。举例来说,新型超导材料可以应用在无损输电、磁悬浮、超导量子计算、超导磁探测、产生超强磁场等方面;低维材料的未来目标是电子学性能能够超越硅器件,从而应用于各种量子技术中。