量子是什么、量子具有什么特性、又有什么作用?一文带你搞懂

2020-06-25 22:54 admin

最近量子这个词非常火,像前些年的纳米这个词一样,被广泛应用在各类产品里,像什么“量子波动速读”,这种方法是从日本漂洋过海来的,号称孩子用此法可在5分钟内看完一本10万字的书籍,并能把内容完整复述,闭着眼也能和书发生感应。宣称是利用了光的波粒二象性和量子纠缠原理。其具体的解释为:

利用量子纠缠,产生波粒二象性,让大脑和书本发生感应,改变人类阅读的反应过程,由“看、读、理解”简化为“看、理解”,经培训后可达到“书中文字快速成像、光波飞入电影回放、一目十行过目不忘”的效果,甚至还可以闭着眼睛,直接翻书,根本不用看就能和书本发生感应,知道书中内容和作者所要表达的意思。

比“量子波动速度”更扯的是“量子接骨”,打出了“通过量子干预技术,异地就能把骨折治好……”这样的口号,还号称可以只需提供一块土地的航拍图,确定土地位置,便可通过“量子干预”,提高农产品的产量,“改良后的农产品无公害,还品质高,相当牛。”

这些年,很多营销人士为了忽悠用户,都拿出那些非常专业的名词移花接木到产品之上,给人一种非常专业、权威的感觉,比如前些年的纳米汗蒸之类的。这些其实只要细想就漏洞百出的影响概念,但还是有人前赴后继上当。

量子(quantum)是现代物理的重要概念。即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。

紫外灾难:19世纪末,科学界许多科学家已经开始深入研究电磁波,由此诞生了黑体,黑体则是属于热力学范畴,黑体是一个理想化了的物体,为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律,物理学家以此作为热辐射研究的标准物体。它能够吸收外来的全部电磁辐射,并且不会有任何的反射与透射。换句话说,黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1,透射系数为0。而我们知道一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射,温度愈高,辐射出的总能量就愈大,短波成分也愈多。随着温度上升,黑体所辐射出来的电磁波则称为黑体辐射。紫外灾难则指的是在经典统计理论中,能量均分定律预言黑体辐射的强度在紫外区域会发散至无穷大,这和事实严重违背。

普朗克假定,光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的,而是一份一份的,一份“能量”就是所谓量子。

然而当时的物理界,包括普朗克本人,都讨厌“量子”这个怪物,千方百计想要将它消化在经典物理的世界之中,但却屡试不果。

唯有爱因斯坦独具慧眼,提出了“光量子假说”,他认为光辐射不仅在于与物质相互作用时的能量是一份一份的,光辐射的能量,本身就是“量子化”的,一份能量就是光能量的最小单元,后来称之为“光量子”,或简称“光子”。

后来,在两者基础上,以玻尔为首的哥本哈根学派发展出来了量子力学,哥本哈根诠释也就成为量子力学的正统解释,其中恩的概率解释、海森堡的不确定性原理和玻尔的互补原理,三者共同构成了“哥本哈根解释”的核心,量子力学与相对论共同构成了现代物理体系的两大支柱。

按物理运动规律的不同,我们将遵从经典运动规律(牛顿力学,电磁场理论)的那些物质所构成的世界称为“经典世界”,将遵从量子力学规律的那类物质所构成的世界称为“量子世界”。“量子”就是量子世界中物质客体的总称,它既可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子,也可以是BEC、超导体等宏观尺度下的量子系统,其共同特征就是必须遵从量子力学的规律。

量子叠加最有名的就是“薛定谔的猫”理论了,薛定谔的猫是指在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。但是在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后才能够知道。

这里涉及到了一个电子双缝实验实验,在德布罗意提出了波粒二象性之后,戴维孙和革末通过实验确认了一切物质都具有波粒二象性后。量子力学认为当人们没有对粒子进行观察的时候,它们是以波的形式运动,由于存在干涉,穿过双缝后会出现一道道痕迹。一旦观测后,它们立刻选择成为粒子,就不会产生干涉,穿过双缝留下痕迹。

然而,薛定谔忘记了量子力学是旨在探究微观领域,而非宏观世界,有时候宏观世界是无法用来解释微观世界的。

量子力学的一个中心原则就是粒子可以存在于叠加态中,能同时拥有两个相反的特性,也就是我们说的波粒二象性。尽管我们在日常生活中常常面对“不是A就是B”的抉择,而但在微观世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的,就好像我们经常说一个人,不能简单判断他是善恶一样。

薛定谔的猫可以说非常生动形象让大家看清了量子力学的本质—— 一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。

叠加状态会引起量子纠缠,在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子缠结或量子纠缠(quantum entanglement)。

量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象;在经典力学里,找不到类似的现象。举一个例子,在微观世界里,两个纠缠的粒子可以超越空间进行瞬时作用。也就是说,一个纠缠粒子在地球上,另一个纠缠粒子在月球上,只要对地球上的粒子进行测量,发现它的自旋为下,那么远在月球上的另一个纠缠粒子的自旋必然为上。

除此之外,量子还有一个有趣的现象,就是量子隧穿效应,举个例子,假如人在赶路,前面有一座大山挡住了去路,那么人如果要前往大山的另外一边,那么你就只能翻过山去。但是对于粒子而言,它可以直接穿过去,即使能量不足,也可以穿山而过。这就是粒子穿墙术——量子隧穿效应。

基本粒子没有形状,没有固定的路径,不确定性是它唯一的属性,既是波,也是粒子,就像是我们对着墙壁大吼一声,即使99.99%的声波被反射,仍会有部分声波衍射穿墙而过到达另一个人的耳朵。因为墙壁是不可能切断物质波的,只能在拦截的过程中使其衰减。

因为具有纠缠态的两个粒子无论相距多远,只要一个发生变化,另外一个也会瞬间发生变化,利用这个特性实现光量子通信的过程如下:事先构建一对具有纠缠态的粒子,将两个粒子分别放在通信双方,将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量(一种操作),则接收方的粒子瞬间发生坍塌(变化),坍塌(变化)为某种状态,这个状态与发送方的粒子坍塌(变化)后的状态是对称的,然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方,接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换(相当于逆转变换),即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

经典通信较光量子通信相比,其安全性和高效性都无法与之相提并论。安全性-量子通信绝不会“泄密”,量子通信技术被认为是“保障未来信息社会通信机密性和隐私的关键技术”。

从潘建伟教授首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发,经过四年时间,2016年,墨子号量子卫星成功发射。

中国科学家15日(当地时间)在美国《科学》杂志上报告说,中国“墨子号”量子卫星在世界上首次实现千公里量级的量子纠缠,这意味着量子通信向实用迈出一大步。

目前,量子号还要实现基于纠缠的量子密钥分发,量子密钥分发是利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥,来加密和解密消息。

量子密码学的核心就是量子密钥分发,它是利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥,来加密和解密消息。

怎么样能够产生量子纠缠呢?现在科学家已经掌握许多制备量子纠缠的方法和途径。最常用的是将一束激光照射到非线性晶体上便能产生纠缠光子对。所以人是不可能仅仅通过翻书就产生量子纠缠的,任何宣称利用了量子纠缠原理的基本都可以判定为骗子。

因为量子叠加的特性,这种纠缠光子源属概率性的。这种参量下转换产生的许许多多光子对中才会有一对光子是纠缠的,人们甚至无法预先知道哪一对是纠缠光子,只能采用能确定纠缠的探测装置来加以识别,但一旦确认该光子对是纠缠的,纠缠也会因此测量而消失。这也导致现在目前量子通信的应用还存在一些缺陷。

而量子计算则被认为是第四次工业革命的引擎,目前,科学界普遍认为,第四次工业革命将会在核聚变、量子技术、5G、人工智能、基因工程这5者之中诞生。

目前来说,经典计算机的发展已经陷入瓶颈,随着晶体管体积不断缩小,计算机可容纳的元器件数量越来越多,产生的热量也随之增多。其次,随着元器件体积变小,电子会穿过元器件,发生量子隧穿效应,这导致了经典计算机的比特开始变得不稳定。

科学家认为量子计算机可以突破目前的困境,量子计算是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。

传统计算机每比特非0即1,而在量子计算机中,量子比特因为量子叠加的特性,可以以处于即是0又是1的量子叠加态,这使得量子计算机具备传统计算机无法想象的超级算力。

但在量子计算机中,变量X是量子叠加态,既为1,又为0,因此它可以在一次计算中同时执行A和B。这就是我们说的量子比特或者叫量子位。成为了量子信息的计量单位。

做个总结,传统计算机使用0和1,量子计算机也是使用0跟1,但与之不同的是,其0与1可同时计算。古典系统中,一个比特在同一时间,不是0,就是1,但量子比特是0和1的量子叠加。这是量子计算机计算的特性。

所以如果我们将量子比特的数量增加到10个,那么传统计算机需要计算2^10=1024次。量子计算机需要计算多少次呢?

我们再把量子比特数加到100个、1000个、10000个乃至更多,看出差距了吗?现有计算机要运行上万年的工作量,量子计算机只用几分钟就能搞定。

目前全球都在想要去掌握量子计算机,因为它将会在核试爆模拟、现代武器装备研制,航天卫星等国防科技领域发挥重要作用,其次它也会在诸如气象,物理,探测,材料科学与计算纳米技术、人工智能、深入学习、生物医药、基因工程、金融分析等新兴领域发挥着重要的作用,在未来的 5G 甚至 6G 时代,它还将发展为共享服务器云计算的形式,发挥它极强运算速度和大批量数据处理的优势。

所以,我们要明白网络上流传什么“量子肥料”、“量子水”、“量子接骨”“量子波动速读”等都是属于忽悠人的词,量子纠缠的特性并不是这样使用的,像科普作家张轩中就指出:

量子纠缠与量子波动这些概念,与人脑的联系还没有研究清楚。人的大脑的记忆行为,一般认为与神经网络中的神经元回路有关,在图论上叫做环路。这是复杂系统或者说系统科学研究的内容,目前量子力学还用不上这个领域。

最后说一下,教育孩子不能急功近利,在如今高压力的社会下,家长想要孩子成才是可以理解的,但是不能揠苗助长,从而掉入了陷阱,从而给孩子起到一个不好的导向作用。