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日志

用量子纠缠理论解释黄崂山穿墙术、孙悟空筋斗云

热度 6已有 281 次阅读2017-3-31 08:31 |系统分类:读书

原标题:我从哪里来我会到哪里去?量子力学能给你答案
转自:博科园\科学人
2016年年底举行的墨子沙龙邀请了多位专家为大众讲授“墨子号”相关的知识。在活动中,物理学家、中国科学院院士、“墨子号”首席科学家潘建伟教授讲述了“墨子号”及量子卫星背后的故事。

非常高兴今天能够有机会给大家介绍我们的工作。我今天报告的题目就叫做“漫话量子”。2016年8月16日,“墨子号”量子星在九泉卫星发射中心成功发射升空。

现在看发射时的录像感觉很轻松,但其实在发射前的30秒,我自己也是双掌合十。尽管没念阿弥陀佛,但是也在说老天保佑,希望我们的卫星能够成功地进入太空。后来在9月15日,“天宫二号”又在九泉卫星发射中心成功发射了。

“天宫二号”也搭载了我们空地量子密钥分配装置。大家可能会觉得奇怪,为什么我们在一个月里面连续发射了两个和量子相关的载荷火箭,发射之后又出现了什么样的情景?

我们对发射前后相关的报道做了一个简单的收集。我们发现墨子号卫星发射之后,不仅受到了国内广泛的关注,还受到了国际上广泛的关注。比如美国的《纽约时报》,英国的《新科学家》、《BBC》和《金融时报》等等,基本上国际上比较有影响的媒体,都对我们中国成功发射的量子卫星进行了报道。今年年底英国《自然》杂志评选的2016年度国际的重大科学事件中,量子星发射与引力波的发现等重大科技成果一起入选。几乎同时,《科学美国人》也评选了2016年度改变世界的十大技术,其中也有量子卫星发射。我仔细看了这十项技术包括什么,发现这里面只有量子星技术是来自于美国本土之外的创新性科技成果。

其实量子卫星的发射具有标志性的意义,就是希望能够让中国重新回到科技创新一个国际的顶峰上面去。

量子星与“墨子号”的来历

选“墨子号”这个名字,是因为墨子是中国历史上的第一位科圣。墨子生活在2400年前,他主张“兼爱、非攻”,也就是平等、博爱、反对战争。墨子在《墨经》里面提到“端,体之无序而最前者也”。这个“端”指的是小颗粒,是组成所有物质的最基本的单位。从这个含义上讲,墨子是所有科学家里面最早提出原子概念雏形的人。与他同时期的希腊的科学家、哲学家德谟克利特也提出了相同的观点。

此外他在《墨经》里面还提到“止,以久也,无久之不止”。久是力的意思。这句话说的是一个物体之所以会停下来,主要因为受到力的作用,如果说没有阻力的话,一个物体的运动是永远不会停止的。这与我们在高中学到的牛顿惯性定律是完全一样的。但是与墨子同时期的著名哲学家亚里士多德却说,如果一个物体不受到力的作用就会停下来。后来牛顿提出惯性定律精确的表达形式,否定了亚里士多德的观点。而早在2000多年之前,我们中国就已经有一位伟大的科学家提出了非常基本的物理学概念。

我们经常有一种想法,认为中国人也许不适合来做科学。我们当时取“墨子星”这个名字,就是想告诉大家:我们中国人不仅其他事情可以做得很好,科学也可以做得很好。

此外,墨子还有一个很重要的工作与“量子星”的工作是紧密联系在一起的。现在我们都知道光线是沿着直线传播,但是在古时候这个事情并不清楚。如何通过一个实验来证明光是沿着直线传播的呢?墨子在2000多年之前就做过一个小孔成像实验。他站在门外面,门上挖一个小孔,门里面有一面墙,结果发现墙上的影子是倒过来的。我们知道光只有沿着直线传播才会发生这种现象。所以,我们将世界上首颗“量子星”取名为“墨子号”,一方面是为了纪念墨子在我们中国科学方面所取得的一些重大的进步,同时也为了纪念他在光学方面取得的一些成就。

其实“量子星”有一个非常有意思的、有代表性的意义。正如2016年年底《华尔街日报》发表的一篇文章所说,在沉寂了1000年之后,中国发誓要回到发明创新之巅。“墨子号”的发射,确实在社会上取得了一些良好反响。这么一颗有影响的卫星它到底是什么东西呢?为什么会引起如此广泛的国际关注呢?下面我会简要地介绍一下量子的基本概念。

关于量子的基本概念

什么是量子?

其实量子非常简单。比如说我有一杯水,把这杯水不断地细分之后用放大镜看,能看到水是由一颗颗小颗粒组成的。我们把这样的小颗粒叫做水分子,水分子是水的最小颗粒。又比如你把一块金属铁不断切开,最后会变成一个个铁原子。光也是这样,也是由很多小颗粒组成。比如一个15瓦的电灯泡,它大概每秒会发射出1018个小颗粒,这些小颗粒就叫做光子。像分子、原子、光子这样构成物质世界的最基本单元就叫做量子。

所以量子其实很简单。我们每天都大把大把地吃进量子;光照过来,好多光子打到你身上,那是无穷多的量子。这些小颗粒不能被继续割,不存在二分之一的水分子,二分之一的光子,二分之一的铁原子,因为它是构成物质的最基本的单元。这就是量子。

量子在哪儿?

量子有一个非常奇怪的特征。大家在《西游记》里可能看到过,孙悟空的毫毛一抓,一吹,孙悟空就可以在不同的地方出现。虽然日常生活中没有遇到过这样的事,但在量子世界却有这样的概念。

经典物理世界里面的人,要么在这里,要么就在那里。也就是说我在上海就不可能在北京,在北京就不可能在上海。所以在某一个时间里面我只能在某一个地方。量子世界中则不一样,在某些特定的情况下,如果整个宇宙中没有人或仪器知道你在哪里的时候,那么你就可以在所有的地方。这是什么意思呢?这里举一个简单的例子。

假设我坐飞机从法兰克福飞回上海。从法兰克福到上海有两条航线,分别途径莫斯科和新加坡。路上因为太累,我就在飞机上睡着了,所以不知道我是(途经)哪个地方飞回来的。到了上海之后,我的同事陈宇翱到机场接我的时候问:“潘老师你这次是从哪边过来的?”莫斯科在下大雪,途径那里会觉得非常冷,而新加坡地处热带,从那里经过会觉得热。此时我不知道自己经过了哪里,所以我感到又冷又热。陈宇翱说你肯定是累得发生了错觉,下次你坐飞机不要睡觉(要看看到底从哪边过来的)。

后来我坐了一万次飞机,每次都睁大眼睛看我是从哪条路上回来的。结果发现,我要么非常热,要么非常冷——我总是从某一边过来的。于是我很放心,以后坐飞机又睡觉了,结果我到达上海之后再次感到又冷又热。也许你会觉得这是胡说,因为你坐飞机也经常睡觉,但是从来没有发生过这样的现象。

(从量子物理的角度解释)这是因为你虽然睡觉了,但你旁边的人是醒着的。就算你旁边的人也睡了,飞行员还醒着。即使飞行员都睡着了,地面上的雷达还在看。而在我的经历中,整个宇宙中没有任何一台仪器能够告诉我,我是在哪个地方。这时候就会发生又冷又热的现象。

类似的情况在微观世界中经常发生,而宏观世界中不多见。因为一个物体在宏观世界中运动的时候,周围有很多观察者在探测你的轨迹。但是当微观中一个原子运动的时候,由于周围是真空,没有仪器测量它处于什么状态。这时这个原子就会出现在任何一个地方。这样的分析在微观世界里面是成立的,已经被无数实验证实了。

一切注定?

这告诉我们:量子客体的状态会被我们的测量影响。也就是说,你决定是不是睁开眼睛去看,会影响飞机这么大一个客体到底是同时处于两个地方,还是只在某个地方。你轻轻地睁一下眼睛,这个世界就发生了变化。

如果你仔细地去想一想,会发现其实这个道理很深刻。在牛顿力学里有个定理F=MA,通过它可以计算出粒子什么时候会运动到什么地方,什么时候会碰到什么地方,什么时候转回来,甚至连行星的轨道都是可以计算出来。所以牛顿力学告诉我们,一旦一个物体的初始状态确定了,根据牛顿力学,所有粒子的未来运动状态都是可以精确预言的。就好比说在座的各位什么时候死,谁会成为教授,谁会成为总统,与跟我们个人奋斗并不相关联,是早就已经决定好的。这是牛顿力学告诉我们的结论。

牛顿力学一方面让我们雄心勃勃,因为凡人也可以预言神圣星星的轨道,但另一方面又告诉我们人是宿命的,奋斗毫无意义。然而量子力学却说,当你决定睁开眼睛看一看这个世界的时候,这个世界已经被你影响,变得跟原来完全不同。从这个角度上讲,它的哲学意义是非常积极的。

什么是量子纠缠?

量子力学还有一个非常积极的地方,是跟一个与我们息息相关的目标联系在一起的。在这之前,我想进一步介绍一下它的另一个物理性质。

前面我只是讲了量子力学的基本原理,量子是最小的颗粒,如果你不再看它的时候,它可以在任何一个地方。如果把这个小小的体系用到信息系统里面去的时候会如何呢?比如说有一只猫,它在日常的情况下能处在死和活两个状态,但是在量子世界里,它可以处于死和活两个状态的相干叠加。将死和活这两个状态分别对应0和1,就可以将状态处理成信息。当死和活的状态变来变去的时候,信息就会发生变化。

在量子世界里,因为信息处于0和1状态的叠加。这时如果你去看信息的内容,就会对这个状态产生影响。所以这个状态是永远测不准的,也就不能被精确地复制。

当我们把这样一个单粒子的体系拓展到两粒子体系的时候,一种更奇怪的现象就发生了,我们称其为量子纠缠。

一只猫可以处于死和活状态的相关叠加,如果有两只猫的话,是不是可以处于这样一种活活和死死状态的叠加呢?量子力学是允许的,这种状态是什么意思呢?

如果我给在座的各位一个礼物——两个纠缠骰子中的一个,你回家后去扔骰子会随机地得到一串结果。我虽然没看到你的结果是什么,但我可以通过自己保留的另一个骰子猜到,为什么呢?因为这两个骰子是纠缠在一起的,你扔出3的话,我这里也是3,你那里是2,我这里也是2。

处于纠缠的两个客体,不管它们相距多么遥远,其中一个状态发生变化,另外一个状态也会发生相应的变化。我们把这种东西就叫做“遥远地点之间的诡异互动”。

量子研究带给我们什么?

人类一直对一些问题特别感兴趣,比如我们从哪里来,我们会到哪里去。有了量子力学的基本概念之后,我们就能够对这些问题做出回答,而这是牛顿力学做不到的。为什么牛顿晚年信仰宗教,因为他的理论能够解释轨道为什么这么转,周期是多少,但无法解释为什么这个宇宙本来会动起来,为什么星星会开始运动起来,所以他假定是上帝在推动。在他的理论里面时间是均匀流逝且无穷无尽的,空间也是均匀而无限大的。

但是有了量子力学之后,我们把量子力学和相对论结合在一起就可以来建立一种理论,叫大爆炸理论。根据大爆炸理论,宇宙是诞生于15亿年前一个基点的爆炸,而这个爆炸是由于量子涨落产生的。大爆炸时温度高达几亿度,所以只有质子、中子、光子、电子;几分钟之后才会有氢、氘、氦元素的形成;30万年之后,才有原子形成;亿年之后才会形成恒星。宇宙经过100亿年的怀孕之后,我们的太阳系才正式诞生。太阳系形成之后,地球等行星慢慢形成稳定的结构,又经过几十亿年的进化,才慢慢进化出现在的人类。

引力波的预言证实之后,《纽约客》曾报道说:“十几亿年前,两个黑洞发生了碰撞,释放出引力波。大概在五万年前,引力波到达了我们的银河系,这个时候我们的智人开始取代其近亲尼安德特人,成为地球上最主要的人猿。100年前,爱因斯坦——灵长类物种中进化的最先进的人类的一员——预言了引力波的存在。”2016年,我们终于探测到了引力波的存在。我想说,正是因为近代科学的发展,我们才能够回答宇宙是怎么起源的、怎么演化的问题。

宇宙中生命进化出来需要非常长的时间。宇宙到底有多大呢?我们来做个统计,银河系中有数千亿颗恒星,在可见宇宙里面又有数千亿个银河系,如果我们的生命在整个宇宙中是唯一的(因为这种进化出来的概率是非常小的),那么我们今天坐在一起交流思想就是很大的缘分。

2001年,我在普林斯顿参加了著名科学家惠勒90岁生日,他在送我的一本书里面专门画了“回头看宇宙”的图。他认为这个宇宙非常奇怪,它本来是没有生命的,之后慢慢地进化出人类(也就是这只眼睛)可以回过来看看这个母亲到底是什么样的。这就是我们整个宇宙的进化史,非常有意思。

为什么我们人会有意识?到目前为止我们还不清楚,还需要做进一步的研究。正因为有量子力学这些非常基础的研究,我们才能够回答宇宙是如何诞生的、如何进化的。对看似与生活没有直接关系的课题进行研究,却可以给我们的生活带来巨大的变化。

量子研究的应用

当我们将量子的两个状态编码成信息的时候,一个新的学科——量子信息——就诞生了。它可以被用作高安全性的量子通信,可以进行超高速的量子计算与模拟,也可以进行高度精密的量子精密测量。这些都是这个领域相关的先驱。

量子通信

量子通信利用单光子不可以再分割,也不能再进行测量的特性。当张三给李四发密钥,中间有窃听者既不能将信息分割获取其中的一部分,也不能拍照,因为拍照会对信息状态产生影响。通过这样的方式,张三和李四之间就可以建立一种原理上无条件安全的通信方式,这种通信方式一旦有窃听就会被发现,而且以这样的形式产生的密钥是不可破解的。这是量子研究的第一个比较有趣的应用。

“任意门”

量子的另一个应用有点像《西游记》里孙悟空的筋斗云。假设我要从北京到上海,由于时间的关系坐飞机过来已经来不及了。按照量子力学的原理,如果北京和上海之间有这么一团纠缠物质的话,可以把我和这一团北京的纠缠物质做一个测量,测量完之后“我”就变成一堆原始的物质,比如一堆水分子等等,于是得到一组数据,这些数据代表了“我”的全部信息,之后把这个信息通过无线电台发到上海,在上海的实验舱里对“我”进行操作,就可以把我在上海一模一样地重构出来,也许你会说这怎么可能呢?那不是复制了嘛。

但这不是一个复制品。因为我在上海做操作的时候,北京的潘建伟已经还原为原始物质,没有关于我的任何信息,所以能够逃脱量子力学不可测量定理的限制,在这边重新重构出来一个我,重构出来这个潘建伟和原来的潘建伟所有的信息和性质是一模一样的。至少目前看来量子力学的原理就是这样的。

但是这个技术要实现可能还需要很多年,可能要几百年甚至更多年,但至少物理上允许这么做。当然量子还有一个非常美妙的地方,上海的潘建伟不是北京潘建伟的复制品。如果说我能够复制两份的话,那我儿子就麻烦了,他不知道谁是爹了。实际上能够把北京的信息传过去的前提就是这边的潘建伟要被摧毁,所以我们在宇宙当中是独一无二的。

量子计算

另外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。前几天学术界有人已经报道了一些结果,目前已经有些系统里面能够对100个粒子左右进行相干操作了,如果说我们能够把这样一种计算能力利用起来,那么它相当于对2的100次方的数据进行计算。

我们现在把全世界所有的计算机、手机的计算能力加起来,这个计算能力是多少呢?大概是2的80次方。也就是说我们在一个小小的实验室里面做出来的小小的机器,它的计算能力是100万个地球的计算能力都不能达到的。如果这种技术走向实用,它将是非常强大的,这种能力如果分给每个人,那么我们每个人在计算能力上的财富,都是远远超过世界首富的。

这里,我愿意引用一下今年麻省理工学院的技术评论中的一段话:当量子计算机发展到50个量子位的时候,就能实现“量子称霸(quantum supremacy)”,计算能力超过世界上任何传统计算机,解决任何传统计算机解决不了的问题。尽管哪天发生我还不知道,但我想应该不会太遥远。现在像Google、微软、IBM,包括我们中国的很多人,都在开展这方面的相关工作。

精确定位

量子还有一个应用,可以用于我们的精密测量。GPS导航、全球定位等很多技术都需要用到精密测量。利用这种量子精密测量的手段,我们可以发展自主导航技术,目前在100天的情况下,已经能够把潜艇的误差缩小到几百米的范围了,这样我们就可以长期的潜伏,可以悄悄地开到美国的西海岸不被发现。当然量子精密测量将来主要会应用到汽车上。

人工智能与量子计算机

我讲着讲着又回到原来的问题,就是我们的宇宙为什么会演化出生命,能够回过来感受这个世界?我们必须得回答一个基本的问题:我们的意识是从哪里来的?

2016年有个很热的话题叫做人工智能。因为阿尔法狗打败了我们非常顶尖的围棋手,所以大家都感到非常恐慌,也许机器很快就会战胜我们人类。但要我说其实我们还不用担心,至少在量子计算机造出来之前我们不用担心,为什么呢?因为我们每天使用的经典计算机,它的运行规则跟牛顿力学是一样的,它是绝对论的。这是什么意思呢?就是你每输进去一个问题,它肯定会输出一个确定的答案。

假设我是一台机器人,有人让我给他拿一杯水,离我同样距离有两个地方各有一杯水,我过去把它们取到所需要消耗的能量也是一样的,送到我主人的手里所需要的时间也是一样的,这个时候我这台计算机无论是多么强大的人工智能,都会死机。因为它得选一个能量最节省的,但它不知道该怎么办了。这个时候我们要在后面做一个控制,如果两个一样的话你拿左边就可以了。也就是说我们现在的人工智能都是有决定论的,它根本就没有自由意志,它根本就不会认识到自己的存在,它连一个非常简单的事情都决策不了。

这是经典的人工智能机器人,但是量子力学第一次把观测者的意识与物质的演化结合起来。所以我们是高度怀疑,或者说高度相信——尽管这个还没被科学最后证实——量子力学必然参与意识的产生,而且真是因为我们每个人大脑里面想什么别人是取不出来的,也不知道你在想什么,这才保证了我们每个个体的多样性。如果我们跟手机一样,所有的信息都可以拷出来,那人就没什么意义了,因为你的思想对每个人都是透明的,如果可以完全拷出,我就可以复制成一个一模一样的想法,但是量子力学告诉我们这是做不到的。

既然现实中我们这么独一,所以我们相信量子力学跟我们意识肯定紧密相连,也相信通过对量子计算机的研制,能为我们人脑一些机理的研究会提供有价值的东西。

我最后做一个结尾。我刚才讲到一些非常遥远的事情,大家可能会问:量子到底什么时候能够拿来传递人类?

这里我愿意引用1609年开普勒——那个时代非常伟大的科学家——给他的好朋友伽利略写的信里的内容,他说:“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。”1609年的时候人们不会想到,1961年人类首次进入了太空,1969年人类首次登月。这个事情是在这封信多少年后才发生的?要300多年之后。

第一个量子隐形传态的传态的实验是1997年,我们当时有幸做了这个实验。十年之后,中国科大的团队能够首次传送两个粒子的状态。到2016年,随着墨子号的发射,我们的技术能力已经能够实现地星间的1000公里量子隐形传态。

我们要在宇宙当中进行探索的话,用目前的飞行手段是永远都不可能离开太阳系的,因为我们快飞到太阳系边缘的时候就已经去世了。那么从这个角度上讲,我想也许300年之后,也许500年之后,我们能够用这些“墨子号”所带来的成果,也许我们将来能够利用这些手段来进行星际的旅行。

最后,我引用一下《新科学家》杂志的评论,他说:你的量子大脑也许在未来的某某时刻,量子力学能够为我们解释意识的起源,做出贡献。

谢谢大家!

文/潘建伟

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发表评论 评论 (9 个评论)

回复 善卷格格 2017-4-18 10:13
神奇的量子力学微观世界不能复制一模一样的想法,真是个让人安全感陡增的科学信息
膜拜中……
回复 刘源春 2017-4-15 12:47
德先生,赛先生!
回复 刘源春 2017-4-14 12:24
来感知科学的力量!
回复 草木樨 2017-4-13 17:20
科学无止境,能造福人类值得一书。
回复 刘源春 2017-4-13 12:37
走科学之路!
回复 深不水 2017-4-12 19:48
创新之路是无穷的!
回复 刘源春 2017-4-7 10:08
科学的力量!
回复 涤生侯 2017-3-31 09:20
厉害了,涨姿势。
回复 泉水涓涓 2017-3-31 09:10
好好学习,增长知识。

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