量子技术，或将为认知宇宙带来新的“眼睛”

城春一草木

量子饮用水、量子秋裤、量子排毒、量子锅铲…… " 量子 " 二字曾以其在公众眼中的 " 高科技标签 "，被动参与了众多 " 忽悠 "。
很少有人知道，如今科学界，已经逐步进入 " 第二次量子革命 "。
23 日举行的浦江创新论坛 " 未来（科学）论坛 " 以 " 新型量子器件和量子计算的发展 " 为主题，多位国际上最顶尖的量子器件和量子计算方面的专家热议量子。
中国科学技术大学的杜江峰院士看来，如果说 " 第一次量子革命 "，是人类对已经存在的现象，进行被动地探究、应用，那么正在逐步转入的 " 第二次 "，其核心在于科学家在认知基础上，主动打造形成更多量子器件。
量子的 " 叠加 " 与 " 纠缠 "
北京大学的谢心澄院士从最基础的概念出发，解析 " 量子 "。
根据量子理论，量子是最小的、不可再分割的能量单位。中学物理书上提到的分子、原子、电子，其实都是量子的不同形式。在日常生活的宏观世界里，物体的位置、速度等，都可以通过经典力学精确测算。但在微观量子世界里，却有着截然不同的奇妙物理规则，最有代表性的是 " 叠加 " 与 " 纠缠 "。
在宏观世界，任何物体在某一时刻都有确定的状态和位置。但在微观世界，量子却同时处于多种状态和多个位置的 " 叠加 "。物理学家薛定谔曾用一只猫比喻量子叠加：箱子里有一只猫，在宏观世界中它要么是活的，要么是死的。但在量子世界中，它可以同时处于生和死两种状态的叠加。
与此同时，量子的状态还经不起 " 看 "：如果你去测量，它就会从多个状态、多个位置，变成一个确定的状态和位置了。也就是说，如果你打开 " 薛定谔的箱子 "，猫的叠加态就会消失，你会看到一只活猫或一只死猫。而 " 量子人 " 的 " 分身术 " 也会消失，他会出现在北京或上海。
更为奇妙的是，根据量子理论，如果两个量子之间形成 " 纠缠态 "，那么无论相隔多远，当一个量子的状态发生变化，另一个也会 " 瞬间 " 发生相应变化。爱因斯坦曾把这一现象称作 " 鬼魅般的超距作用 "。
论坛上，谢教授展示了一张当时顶级物理学家共同研讨一个宏观量子现象时拍下的照片，当时的爱因斯坦还很年轻，" 明显还不能居中而坐，还是站着的 "。


从 " 被动 " 转换到 " 主动 "
参会的杜江峰院士，做量子计算研究，到现在已经是第 24 个年头了。他说，" 前 12 年，我们买仪器；后 12 年，我们自己做仪器。"
他指出，第二次量子革命是科学界从被动转向主动，利用量子特性，开发出量子通信、量子计算和量子精密测量等创新应用。
这些应用的革命性在于，量子通信可以在理论上做到通信的绝对保密，量子计算可以令人类的运算能力实现指数级增长，如传统计算机需要数万年才能破解的复杂密码，量子计算机几秒钟内就能破解。传统测量技术最小只能探测到微米量级，而量子测量可以进一步精细千倍、万倍达到原子量级。
当测量 " 工具 " 精度达到新的极端，人类观察世界的视野就会变得不同。杜教授举例，现在医院核磁共振设备，可以观察直径一毫米的人体组织，而量子前沿研究领域，精度缩小到 10 纳米，甚至可以直接观察一个微小的肝癌细胞。
可以做的远不止于此。有了更厉害的工具，物理学家对宇宙的测量有了新的方法。目前宇宙中包含约 95% 的暗物质暗能量，这些都不是物理学现有定义中标准粒子可以解释的。各国科学家们利用量子研究的突破，尝试寻找新的标准粒子，推动科学疆界的拓展。他参与的中国科学团队，也是其中之一。" 我们的方法是自己想的，设备自己搭的，就在实验室里 1-2 米大小的桌上，" 杜教授透露。
量子技术已成必争之地
纵观全球，量子技术研究已成兵家必争之地。
早在《2013 年秋季声明》中，英国政府即宣布将投资 2.7 亿英镑设立英国国家量子技术计划，同时成立量子技术战略顾问委员会。此举的目的是在接下来的 20 年里对于新的量子工作和投资予以指导，帮助量子行业扎根英国，并带来盈利、增长和可持续发展。
欧盟委员会计划启动量子技术项目，希望借此促进包括安全的通信网络和通用量子计算机等在内的多项量子技术的发展，充分利用量子技术的发展，更好地解决健康、能源、环境和安全等领域的重大挑战。
2011 年 12 月，日本便在学术审议会尖端研究基础委员会下设 " 光 · 量子束研发作业委员会 "。该机构立足于光 · 量子技术的研发现状与国内外的情况，针对现在的课题以及今后推进的战略政策方针进行研讨。日本还将其运用到新素材的开发以及品种改良、研制新药品等诸多领域，促进了产业领域的高度化发展，增强了日本的国际竞争力。
近年来，我国也多次创造量子比特纠缠数量的世界纪录；发射世界首颗量子实验卫星 " 墨子号 "，实现千里纠缠、星地传密、隐形传态三大科学目标；开通世界首条量子保密通信干线 " 京沪干线 "，实现世界首次洲际量子保密通信。
栏目主编：黄海华 本文作者：彭德倩 文字编辑：彭德倩 图片编辑：项建英
图片摄影：赖鑫琳