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【导语】量子，这个看似神秘而抽象的概念，实则与我们的生活息息相关。从量子力学、量子材料到量子信息和量子计算，量子科技正逐步渗透到我们日常的方方面面。本文将带您探索量子的本质，揭秘量子世界的“反直觉”现象，并介绍量子通信、量子计算和量子精密测量等前沿科技。这些量子技术不仅挑战着我们对宏观世界的认知，更预示着一个充满无限可能的新时代的到来。让我们一同揭开量子的神秘面纱，展望量子科技带来的美好未来。
你可能从某处听过“量子”这个东西，也很有可能听说过量子跟其他东西的搭配，诸如量子力学、量子材料、量子信息、量子计算……之类的。但量子到底是什么呢？
量子和它的“反直觉”
我们在物理学上都学过，物质是原子组成的。原子内部则是质子、中子和电子。后来，科学家们发现我们的世界可以最终划分成有限种类的一群基本粒子。在这个层面上，无论我们如何探索，所分析的都是物质结构的基本单元。但量子跟它们不一样，它并不是指特定的某些粒子。如果某个物理量存在最小的不可分割的基本单元，我们就说这个物理量是量子化的，把这个最小单元就称为量子。从这个意义上说，量子是物质的一种属性，它可是物质的能量、动量、角动量、电荷、磁矩等等各种属性对应的基本单元。
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打个不是太精确的比方，全世界各个国家都发行了自己国家的货币。每个国家的货币，名字大都不太一样，有人民币、美元、英镑、日元、越南盾、伊拉克第纳尔等等，它们的汇率、购买力也不太一样。但是所有的货币，都存在一个最小单位，可以是分，也可以是厘、便士、费尔、枢……这些最小单位跟它们能购买到的商品未见得有什么直接的关系，但却可以用来度量这些商品——你或许可以试着把量子，想想成物理世界的这种最小单元。
如果我们基于量子物理学来观察整个世界，就会发现一些非常“反直觉”的现象。
首先，量子并不像我们宏观世界看到的实体一样，会有特定的体积和形状。虽然我们经常把看不见的微观粒子统一想象成一个个小球，实际上它们存在的方式是千奇百怪的。它是“波”，有时是出现在特定某处的“粒子”。这就是所谓的“波粒二象性”。
其次，量子的出现充满了不确定性，可以用“随心所欲”来形容。我们只知道它在某时某刻出现在某地的概率有多大，却无法知道它是否一定就会出现在那里。所以它可以毫不费力地穿越到微观“墙体”的另一侧，因为它有出现在那侧的概率。
再者，量子的这种不确定性，是可以相互叠加的。也就是说，如果把两个量子放在一起，它们各自具有不确定性，但它们整体又叠加成了新的不确定状态。在特殊情形下，它们各自的不确定性还会纠缠在一起，一旦其中某一个量子状态发生了变化，另一个量子必然会发生对应的变化。有了这些神秘的叠加和纠缠，你就可以实现更加复杂的量子态传输。
最后，量子世界仍然可以回归到宏观世界中来。如果有许许多多的量子叠加或纠缠在一起，就构成了非常复杂的状态。以至于，再要想分辨某一个特定粒子的量子特征，已经是不可能了。比如前面提到的一滴水，如果我们忽略水里面单个原子的具体行为，而只关心这一大群原子的行为，那么我们看到的，就只是一滴水。
所以，要理解量子力(lì)学(xué)的(de)世(shì)界(jiè)观(guān)，最(zuì)重(zhòng)要(yào)的(de)就(jiù)是(shì)要摒弃你在宏观世界根深蒂固的先验概念，并主动去接受那些貌似“反直觉”的物理规律，再最终试图回归到合理的宏观现象中来。
不管你相信还是不相信，我们这个宏观的世界，还是由无数个量子组成的。我们看到的光、听到的声音、感受到的温度，本质上都是量子层面各种复杂的相互作用形成的。所以，你看似感受不到的量子，又无处不在无时不刻地感受到了。
量子通信
量子通信是量子信息科技的一个分支。量子通信不应该简单地从字面理解为用量子来通信，它的真实含义更广泛，是利用量子力学原理对量子态进行操控，在两个地点之间进行信息交互，来完成经典通信所做不到的事情。
按照应用场景和传输的比特类型，量子通信可分为“量子加密通信”和“量子比特传输”两个方向。
第一个方向量子加密通信，以“量子密钥分发”技术或者量子随机数产生技术(shù)为(wèi)基(jī)础(chǔ)，建(jiàn)立(lì)牢(láo)不(bù)可(kě)破(pò)的(de)量(liàng)子(zi)密(mì)钥(yào)。这(zhè)也(yě)是(shì)目(mù)前(qián)唯(wéi)一(yī)进(jìn)入(rù)产(chǎn)业(yè)化(huà)的(de)量(liàng)子(zi)通(tōng)信(xìn)技(jì)术(shù)。
量(liàng)子(zi)密(mì)钥(yào)分(fēn)发(fā)生(shēng)成(chéng)的(de)密(mì)钥(yào)是(shì)一(yī)组(zǔ)真(zhēn)随(suí)机(jī)的(de)二(èr)进(jìn)制(zhì)数(shù)，用(yòng)最(zuì)简(jiǎn)单(dān)的(de)异(yì)或(huò)算(suàn)法(fǎ)加(jiā)密(mì)就(jiù)能(néng)实(shí)现(xiàn)无(wú)法(fǎ)破(pò)解(jiě)的(de)密(mì)文，几(jǐ)乎(hu)不(bù)耗(hào)费(fèi)任(rèn)何(hé)计(jì)算(suàn)资(zī)源(yuán)。同(tóng)时(shí)量(liàng)子(zi)力(lì)学(xué)中(zhōng)的(de)量(liàng)子(zi)不(bù)可(kě)分(fēn)割(gē)原(yuán)理(lǐ)和(hé)不(bù)可(kě)克(kè)隆(lóng)定(dìng)理(lǐ)保(bǎo)证(zhèng)了(le)该(gāi)密(mì)钥(yào)在(zài)分(fēn)发(fā)过(guò)程(chéng)中(zhōng)不(bù)会(huì)被(bèi)任(rèn)何(hé)第(dì)三(sān)方(fāng)无(wú)感(gǎn)知(zhī)地(de)截(jié)获(huò)，就(jiù)是(shì)说(shuō)任(rèn)何(hé)窃(qiè)听(tīng)都(dōu)会(huì)被(bèi)通(tōng)信(xìn)的(de)双方马上发现。
第二个方向“量子比特传输”利用量子纠缠来传输量子比特，是为量子计算机服务的量子通信，将应用于未来量子计算之间的量子互联网。这个方向目前还处于科研阶段，距离实用化和产业化还非常遥远。
量子计算
在芯片中，数百亿个晶体管遵循一种被称为“布尔代数”的二进制逻辑进行运算。随着晶体管的尺寸越来越小，逼近纳米级别，芯片的运算能力已经几乎到达极限了。在这种情况下，人类对超越当前范式的新算力需求呼之欲出了。量子计算应运而生。
在量子世界，信息的最小单位就成了量子比特。逻辑上，它是一个可相干叠加的两态系统；物理上，它是某个可区分的（准）二能级系统。量子比特的可叠加性，使得他们的信息编码能力比经典比特要强很多，但这还不够，多个量子比特在一起，可以形成复合系统，如果它们之间能够纠缠起来，那就是见证奇迹的时刻了。
以两个量子比特形成的复合系统为例：这个系统可以处于某种量子态，此时将它们当成整体来看，系统是量子的，但一旦单独去看某一个量子比特，系统就不再是量子的。换言之，复合系统只能当做整体来看，从它的子系统上是得不到信息的。从数学上讲，纠缠系统张开了一个更大的直积空间，而这个直积空间的维度是随比特数指数增长的。在这里列举几个恐怖的数字：当N=50时，这个空间的维度大约相当于现在最先进的超级计算机一秒的计算次数；当N=300时，维度已经超过了整个已知宇宙中所有的原子总和。
纠缠所带来的这种恐怖的维度扩张，为计算问题提供了巨大的处理空间，使得某些问题可以在更高维度上寻求更高效的解决路径。传统计算机及理论经过百余年的发展，已经能够高效解决很多问题，但仍有很多问题无法解决(jué)，比(bǐ)如(rú)说(shuō)天(tiān)气(qì)预(yù)报(bào)，股(gǔ)票(piào)价(jià)格(gé)，癌(ái)症(zhèng)药(yào)物(wù)……如(rú)果(guǒ)这(zhè)些(xiē)问(wèn)题(tí)都(dōu)能(néng)准(zhǔn)确(què)计(jì)算(suàn)，那(nà)我(wǒ)们(men)的(de)世(shì)界(jiè)将(jiāng)变(biàn)得(de)特(tè)别(bié)美(měi)好(hǎo)。
量(liàng)子(zi)精(jīng)密(mì)测(cè)量(liàng)
量(liàng)子(zi)精(jīng)密(mì)测(cè)量(liàng)是(shì)量(liàng)子(zi)力(lì)学(xué)的(de)重(zhòng)要(yào)应(yīng)用(yòng)之(zhī)一(yī)。精(jīng)密(mì)测(cè)量(liàng)是(shì)科(kē)学(xué)研(yán)究(jiū)的(de)基(jī)础(chǔ)。整(zhěng)个(gè)现(xiàn)代(dài)自(zì)然(rán)科(kē)学(xué)和(hé)物(wù)质(zhì)文明(míng)是(shì)伴(bàn)随(suí)着(zhe)测(cè)量(liàng)精(jīng)度(dù)的(de)不(bù)断(duàn)提(tí)升(shēng)而(ér)发(fā)展(zhǎn)的(de)。经(jīng)典(diǎn)世(shì)界(jiè)中(zhōng)，一(yī)般(bān)情(qíng)况(kuàng)下(xià)可(kě)以(yǐ)通(tōng)过(guò)两(liǎng)种(zhǒng)方(fāng)式(shì)来(lái)提(tí)高(gāo)测(cè)量(liàng)精(jīng)度(dù)。第(dì)一(yī)种(zhǒng)是(shì)制(zhì)备(bèi)和(hé)利(lì)用(yòng)分(fēn)辨(biàn)率(lǜ)更(gèng)高(gāo)的(de)“尺(chǐ)子(zi)”。第(dì)二(èr)种(zhǒng)方(fāng)式(shì)是(shì)通(tōng)过(guò)多(duō)次(cì)重(zhòng)复(fù)测(cè)量(liàng)来(lái)减(jiǎn)少(shǎo)测(cè)量(liàng)的(de)误(wù)差(chà)，提(tí)高(gāo)测(cè)量(liàng)精(jīng)度(dù)。
随(suí)着(zhe)量(liàng)子(zi)力(lì)学(xué)基(jī)础(chǔ)研(yán)究(jiū)的(de)突(tū)破(pò)和(hé)实(shí)验(yàn)技(jì)术(shù)的(de)发(fā)展(zhǎn)，人(rén)们(men)不(bù)断(duàn)提(tí)升(shēng)对(duì)量(liàng)子(zi)态(tài)进(jìn)行(xíng)操(cāo)控(kòng)和(hé)测(cè)量(liàng)的(de)能(néng)力(lì)，从(cóng)而(ér)可(kě)以(yǐ)利(lì)用(yòng)量(liàng)子(zi)态(tài)进(jìn)行(xíng)信(xìn)息(xi)处(chù)理(lǐ)和(hé)信(xìn)息(xi)传(chuán)递(dì)。利(lì)用(yòng)特(tè)定(dìng)量(liàng)子(zi)态(tài)，如(rú)纠(jiū)缠(chán)态(tài)及(jí)压(yā)缩(suō)态(tài)等(děng)强(qiáng)关联(lián)性(xìng)质(zhì)，将(jiāng)噪(zào)声(shēng)对(duì)系(xì)统(tǒng)的(de)影(yǐng)响(xiǎng)大(dà)幅(fú)降(jiàng)低(dī)，进(jìn)而(ér)可(kě)以(yǐ)进(jìn)一(yī)步(bù)提(tí)高(gāo)测(cè)量(liàng)灵(líng)敏(mǐn)度(dù)。如(rú)果(guǒ)让(ràng)N个(gè)量(liàng)子(zi)“尺(chǐ)子(zi)”（即(jí)量(liàng)子(zi)精(jīng)密(mì)测(cè)量(liàng)中(zhōng)的(de)探(tàn)针(zhēn)）的(de)量(liàng)子(zi)态(tài)处(chù)于(yú)一(yī)种(zhǒng)纠(jiū)缠(chán)态(tài)上(shàng)，外(wài)界(jiè)环(huán)境(jìng)对(duì)这(zhè)N个(gè)量子“尺子”的作用将会相干叠加，使得最终的测量精度达(dá)到(dào)单(dān)个量子“尺子”的1/N。这一精度突破了经典力学的散粒噪声极限（根号N分之一），是量子力学理论范畴内所能达到的最高精度——海森堡极限。
作为新兴的研究领域，量子精密测量是量子信息技术的重要组成部分。除了可以突破经典力学极限的超高精度之外，还可以抵抗一些特定噪声的干扰。当前，利用电子、光子、声子等量子体系已经可以实现对电磁场、温度、压力、惯性等物理量的高精度量子精密测量，科学家也在实验演示了量子超分辨显微镜、量子磁力计、量子陀螺、量子雷达等，并应用在材料、生物等相关学科研究中。
结语
你可千万别觉得量子是个看不见摸不着玄而又玄的东西。实际上，如今与量子相关的应用已经无处不在。家里的LED灯、手机、电脑，医院里的 CT或核磁共振扫描，开车用的导航系统，统统都用到了量子科技。在不久的将来，量子计算、量子通信和量子精密测量等量子技术，还将给我们的生活带来翻天覆地的变化！
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来源丨综合整理自罗会仟、张文卓、金贻荣、薛鹏、姬扬相关文章