院士介绍量子:就像孙悟空 会分身也会翻筋斗云

2017-05-26 08:52 来源:钱江晚报 作者:陈瑜思 诸鸿雁 卢绍庆

  5月3日,中科院院士、中科大常务副校长潘建伟再一次站在聚光灯下。那天,他代表团队在上海宣布两件关于量子的喜讯:成功研制世界首台超越早期经典计算机的量子计算机;成功实现目前世界上最大数目(10个)超导量子比特纠缠。

  作为中国量子领域研究的领军者,潘建伟雄心勃勃,但为人低调。

  前天,应浙江大学物理学系的邀请,潘建伟在浙大玉泉校区,做了一场“量子飞跃:神话传说到哲学到信息科技”的讲座。该讲座是物理学系在浙大120周年校庆期间的七场学术活动之一。而浙大物理系研究组,跟潘建伟一起合作完成了“10个超导量子比特纠缠”。

  他个头不高,给人一种亲切、质朴的印象。一讲起量子,他的眼睛里就闪着光,大概这就是对科学的热忱,和对万物最初的好奇。

  量子和孙悟空一样

  会分身术和筋斗云

  从普通人的视角看,量子科学似乎很遥远,还难懂。潘建伟便从神话传说入手,推开量子科学这扇神秘的大门。

  在《西游记》中,孙悟空会分身术,筋斗云。毫毛一拔,到处一扔,就变出好多个分身;一个筋斗,翻出十万八千里,便能实现瞬间移动。

  在量子世界里,量子就和孙悟空一样,会分身术,可以在两个不同的空间内同时存在。它也可以驾筋斗云,把客体信息,用量子隐形传态的方式从一个地方传到另一个遥远的地方。这就是它奇妙的特性——量子叠加与量子纠缠。

  在量子力学里,量子体系可处于多个可能状态的叠加态,只有在被观测或测量时,才会随机地呈现出某种确定的状态,因此,对物质的测量意味着扰动,会永久地、不可避免地改变被测量子体系的状态。

  对于量子叠加态,可以用“薛定谔的猫”来比喻:一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。在一小时内,大约有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,剩下50%的概率是放射性物质不会衰变而猫将活下来。

  如果我们不打开盒子,根据我们在日常生活中的经验,可以认定,猫或者死,或者活,只有这两种可能。但是在量子世界中,猫可以处于一种死与活的叠加态。

  如果没有打开盒子,进行观察,我们永远也不知道猫是死是活,它将永远处于既死又活的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间,才能确切地知道猫是死是活。

  “打开盒子,就是一种‘观测’或‘测量’。”潘建伟说。

  潘建伟进一步上升到了哲学:量子力学告诉我们,以个人的行为、价值、标准为基础的测量行为,可以影响世界。这要比牛顿力学哲学积极。牛顿力学本质上讲是一种宿命论,“一旦一个粒子和它相互作用的体系的初始状态是决定的话,那么这个粒子和它相互作用的体系的未来运动状态,根据F=ma这个方程就可以预测出来了。那么,我们的命运跟个人的奋斗是没有关系的。”

  “量子纠缠,通俗讲有点像心电感应,比如说我俩现在见过面,已经达成一些默契,然后我回合肥,你在杭州,你特别高兴的时候我也会特别高兴,你特别痛苦的时候,我也会特别痛苦。”潘建伟说。

  潘建伟拿骰子来类比,如果两个骰子处于纠缠之中,只要在杭州的朋友掷一下骰子,在合肥的他只要看看手中的骰子就知道对方手中的数字,因为纠缠使得这两个骰子是互动的。

  “这是粒子间的神秘联系,奇妙在于,其中的一个粒子经过测量就可以了解另外一个粒子的状态;量子纠缠是一个整体,两个粒子作为一个整体来看时,如果试图窃听或偷走其中一个粒子的信息,你将任何信息都得不到。这就是它保密安全性所在。”他解释道。

  用量子实现星际旅行

  这也是潘建伟的梦想

  看似神秘的量子科学,带来了科技的变革,催生了半导体、原子能、核磁共振、激光、超导、巨磁阻、全球卫星定位系统等重大技术的发明。

  目前的量子通信就是利用了单光子不可以再分割,也不能再进行测量的特性。

  量子科学还可以来做一些非常有趣的事情,比如超强能力的量子计算,比如GPS导航、全球定位等很多技术中的精密测量。并且,它衍生的量子信息技术,已然成为国际研究热点,并逐渐开启应用之门——量子信息有望以其超强的安全性和运算能力,带来信息技术的变革。

  潘建伟和他的团队对量子科学的研究,逐渐把量子科学送进我们的生活,改变着我们的生活。

  目前,已经建成连接北京、上海的高可信、可扩展、军民融合的广域光纤量子通信网络——“京沪干线”。

  去年8月16日1时40分,成功发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”,将首次在太空与地面之间开展远距离量子通信的实验研究。

  通过量子纠缠,能大幅度提升导航激光制导水下定位,医学检测和引力波探测的准确性和精确性。

  潘建伟提到了开普勒的一封信:“我们应该建造适合飞向神圣天空的船与帆,然后也会有这样的先驱者,面对无边的太空,他们毫不退缩。”

  因此,潘建伟总是激励自己,科学家必须要有非常好的想象力,要敢于展望。“我们也可以大胆问一下,什么时候可以用量子来实现星际旅行?”

  如果要对外星人提问,他想问,“量子纠缠是怎么回事儿?”

  “目前它的存在性已经在实验上被建立起来,但是,为什么会有这种现象?目前仍不得而知。”潘建伟说,“就相当于我们很早就知道太阳东升西落这个现象,但一直到牛顿力学建立,知道了万有引力,知道了公转、自转,才知道了原理。”

  毕业于东阳中学的潘建伟说

  工匠精神让我们比较专心

  1970年3月,潘建伟出生在浙江东阳,从小是个爱玩的孩子。他曾说,父母从小就很重视对他能力的培养,从不限制他做什么,他可以做自己感兴趣的事。

  “感谢我的父母把家搬到了县城,因为到了初中,才发现在农村小学语文基础很差,英语根本就没有学过,初中后才第一次写作文,结果班主任老师只给了40分,当时我是班长,觉得很羞愧。但我有一种不怕输的精神,为了把英语学好,把同学约到家里来学,向老师请教,进步非常快。语文、英语就在那时打下了基础。”潘建伟说。

  1987年,潘建伟毕业于东阳中学。“东阳中学对我的影响很大,现在团队里面有好多东阳人,成绩非常不错的叫陆朝阳,他就是东阳中学毕业的。东阳工匠比较多,木雕也做得不错,泥水匠也做得不错,工匠精神让我们做什么都比较专心。”

  量子:一个物理量如果有最小的基本单位,并不连续可以分割,就说这个物理量是量子化的,并把不可分割的最小的单元称为量子。

  粒子:指能够以自由状态存在的最小物质组成部分,例如原子、中子、质子、电子等。

  光子:即光量子,就是光的最小单元。(本报首席记者 王湛  本报通讯员 陈瑜思 诸鸿雁/文 )

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(责任编辑:蔡毅强)
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