生活中總有些解釋不通的現象，人們常常調侃其為“遇事不決，量子力學”。實際上，它既是微觀世界的法寶，也是如今半導體技術、晶體管，我們現在所用的核能、激光等技術的基礎，是一種科學而非“遇事不決”的神學。真正的量子力學遠沒有大家想象得那麼簡單……
出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為北京計算科學研究中心薛鵬演講實錄：
我是從事量子信息方面研究的，我想先提個問題，如果我的手中有一個球，豎直向上拋起，能不能預測這個球離開我的手以後會做什麼樣的運動？
這個球離開我的手以後，會豎直地向上，在到達一個最高點之後，會垂直地下落，最後再回到我的手心當中。這其實非常簡單，因為在日常生活中，應該已經無數次目睹了類似現象的發生，這就是從日常生活中得到的經驗。
這其實是一種物理現象，就是宏觀物體的運動規律，就像這張圖片上所示的槍炮子彈的飛行軌跡一樣，都是宏觀物體的運動規律，都可以用牛頓力學來解釋。
換一個問題，現在我想要研究的是一個微觀粒子，想象一下，如果是一個電子，我現在要研究它圍繞原子核的運動，能否還能準確地預測它的運動軌跡呢？這個問題可能就有點難度了。因為你難以通過日常生活中所獲得的經驗去給出一個預測了。
研究微觀世界的法寶：量子力學
因為這個研究的是微觀粒子，是一個微觀的世界，而微觀粒子的運動規律跟我們平常見到的宏觀物體運動規律是截然不同的。這時候，我們熟悉的牛頓力學也拯救不了大家了，我們要藉助一個法寶，就是量子力學。
剛才說到微觀粒子的運動規律跟宏觀物體不一樣，宏觀物體的運動規律，我們可以把它想象成一個人，從一個滑桿上連續地滑下來，所以他的運動模式是連續變化的。
而微觀粒子，比如我說到的電子，它只能在一些特定的，並且是離散的軌道上運動，它可以從一個軌道躍遷到另外一個軌道，但是它不能連續地變化，這就是他們之間最大的不同。
像圖片上的這個人在爬梯子一樣，他只能是一格一格地爬，這就是量子化的概念。
（該系列插圖來自NIST）
量子力學是我們研究微觀粒子運動規律的一門物理學分支，也是非常重要的一門物理學分支。
我介紹一些跟量子力學有關係的，有可能平時在科普報告或者是新聞報道中也聽說過的詞，但是可能並不太瞭解它的意思，比如量子糾纏。
量子糾纏是微觀粒子特有的一種特性，它在經典世界中是完全沒有對應的，它是指兩個微觀粒子之間存在著一種聯繫，這種聯繫像我們說的心電感應一樣。
不管你把它們分離到多遠，它們之間完全不需要溝通就能感受到彼此的存在，感受到彼此的狀態，這種聯繫就叫作量子糾纏。它只存在微觀粒子之間。
比如，現在有這樣一對粒子，它們之間存在著量子糾纏的狀態，如果我把其中一個粒子留在地球上，另外一個粒子發射到火星上去，這時候只需要對地球的粒子進行測量，我得到它的狀態之後，瞬間就可以得到遠在火星的粒子的狀態，完全知道它的信息，這就是量子糾纏所起的作用。
即便我對火星上的粒子不進行任何操作，也能瞬間獲知它的狀態，這就是量子糾纏。聽起來是不是特別神奇，感覺像科幻小說中的情節，但是事實上，量子糾纏已經在很多物理體系中得到了實驗驗證。
比如，在實驗室中，我們就用到了激光和這樣的非線性光學晶體，激光經過這個非線性光學晶體後，它會有一個參量下轉換的過程。
在這個過程中，一個光子就會分裂成一對光子，這當中要滿足能量守恆、動量守恆等一系列的相位匹配條件，最後產生的這一對光子之間就存在著某種特殊的量子關聯。
我把其中一個光子留在實驗室中，用墨子號衛星把另外一個光子發射到太空上去，這時，我只需要對留在實驗室中的這個光子進行測量，馬上就得到了它的狀態。
同時我瞬間就知道了遠在太空的另一個光子的狀態，即便我沒辦法飛到太空上對它進行測量，我也能瞬間得知它的情況，這就是神奇的量子糾纏。
再來看一張圖片，這更加接近我們實驗室中製備一對糾纏的光子對的光路圖。這是實驗室裡天天發生的事情，利用光學元件去製備糾纏的光子對。
量子力學是基礎
量子力學離我們的日常生活還是比較遙遠的，我們生活在一個宏觀的世界中，接觸的所有東西都是宏觀的。那為什麼還要研究量子力學，到底有什麼用呢？
其實量子力學跟我們的生活是息息相關的，像半導體技術、晶體管，我們現在所用的核能、激光等技術，都是由量子力學催生的，而且它早就開始造福於人類了。
我研究的方向是量子信息學，電子計算機是人類最偉大的發明之一，因為它給人們的生產生活帶來了太多的便捷，可以說它是人類文明發展歷程中一個非常重要的標誌。
隨著半導體技術的發展，還有計算機產業化的進程，現在的電腦越來越便於攜帶，而且它的計算功能、信息處理能力也是越來越高，越來越快。
但是人類的慾望是永無止境的，人類對於速度的追求也是沒有盡頭的，我們希望電腦的運行速度能更快一點，但是它的信息處理速度能否像人類所期望的那樣，一直永無止境地提高呢？
答案是否定的，因為它會受到物理定律的限制。比如電信號在介質中的傳播速度是有上限的，受到物理定律的限制，這時如果想讓計算機的運行速度加快，我們需要把這個電子元件做得儘可能小，而且密集。
微處理器芯片集成度的提高決定了電子計算機能否進一步提高它的速度。微處理器芯片的集成度是否能夠提高呢？
來看一個經驗公式，這是英特爾公司的創始人摩爾提出來的一個經驗公式，叫作摩爾定律，是指微處理器芯片的集成度隨著時間呈指數增長。
這個增長速度是非常快的，1900年到2020年，這120年間摩爾定律都符合得非常好，這跟半導體工藝的發展也是非常有關係的，都吻合得非常好。
但是這個趨勢是不可能一直持續下去的，因為它受到了物理定律的限制。比如電腦用一段時間後，就會發現它發熱，是因為經典計算機的信息處理過程是不可逆的。
我們用的計算機，都是由邏輯門形成的加法器、乘法器，這種操作是不可逆的，這種不可逆的過程導致電能轉換成熱能，熱能向空間中耗散出去，這種就不可逆了，所以它就會發熱，而材料的散熱性能就導致集成度有一個上限。
我們可以尋找一些散熱性能更好的新材料，這樣就可以進一步提高集成度，從而提高計算機的運行速度。
但這只是治標不治本的辦法，如果我們能夠找到一種處理信息的過程是可逆的，就可以從根本上解決熱耗散的效應。非常幸運的是，量子信息的處理過程就是一種可逆的過程，這是我們研究量子信息的原因之一。
除了要把元件做得越來越緊密之外，還要把元件做得越來越小，最多就能小到原子的尺度了，不能再小了，但是如果說這個電子元件已經接近到原子的尺度，那麼就進入到了微觀世界。
此時宏觀物體的運動規律，比如牛頓力學、麥克斯韋方程就不再起作用了，這時我們又要祭出我們的法寶——量子力學。
以量子力學為基礎，把量子力學和經典的計算機科學、經典的信息學結合在一起，就誕生了量子信息學。
量子信息學是以量子力學為基礎，對信息的編碼、操控、傳輸以及存儲都給予了新的詮釋，它也是人類文明發展的一個必然的過程。
迄今為止，它吸引了物理學家、計算機科學家、工程師、材料科學家、數學家等諸多領域的科研工作者的研究熱情。同時，它會促進相關的高新技術產業的發展，給整個科學界都注入了新的生命。
我個人的研究方向是量子行走，是量子信息中一個非常微小的分支。量子行走其實是經典隨機行走在量子世界中的一個對應。
經典隨機行走這個概念聽起來也非常陌生，舉一個例子，比如我站在一個地方，我手裡面有一枚硬幣，硬幣有兩面，我在決定向左向右之前，先拋擲一下這枚硬幣，如果是字向上，我就向左走一步；如果是花向上，我就向右走一步。
走到一個新的位置，我再拋擲一次，拋擲硬幣的過程，我就有50％的機會向左，50％的機會向右，這就引入了隨機性，這就是經典的隨機行走。
隨機行走聽起來非常簡單，但是用途非常大，比如花粉的布朗運動就是經典的隨機行走。
我們可以用經典的隨機行走建立數學模型，用它來分析空氣中粉塵的運動規律、天體的運動規律，最神奇的股票K線走勢也可以用經典的隨機行走建立的數學模型來解釋，所以它的用途非常大。
如果說把我這個人，還有我手裡面的硬幣都做量子化處理，使他們變成量子化的微觀粒子，這時就得到了量子行走，它就會有完全不一樣的性質。
此時，這枚硬幣就不僅僅要麼是字，要麼是花了，它可以是字和花的相干疊加態，這就是一個特殊的量子的性質，它可以處在既是字又是花的狀態，就像薛定諤的貓一樣，這就導致行走者可以從很多條路同時開始走，這會出現什麼樣的結果呢？
我在很短的時間就可以走到更大的範圍之內，這就是量子的特性引起的。與此同時，因為我跟我的硬幣之間有量子糾纏，我們有心電感應，我不需要測量硬幣，我不需要看字還是花，我就能感知它是什麼狀態，我就知道該怎麼走了，這樣更進一步加速了量子行走的速度。
跟經典的隨機行走相比，它的速度是非常有優勢的。我們可以利用這種優勢去做這樣的一個量子搜尋算法，就可以在非常短的時間之內，實現在稻草中去尋找一根針的算法。
在現在這樣一個大數據的信息時代，相信量子行走的搜尋算法會有非常廣泛的應用前景，如果未來谷歌、百度都用量子行走的算法去排序，你就可以在非常短的時間之內找到更多有效的信息，還有就是大數據等很多的用途。
這是我們在實驗室中去實現量子行走的真實場景，因為是做光學實驗，所以我們的實驗室對環境的要求比較高。
我們通常都是在地下室做實驗，因為人類的活動，比如汽車行駛時所造成的振動都會對我們的光路造成影響，影響到我們的實驗結果，所以我們都會在地下室建立實驗室。
除此之外，我們的實驗室對於空氣的潔淨程度也有要求，我們需要一個超淨室的環境，因為空氣中的微粒也會對光路造成不穩定的影響。
此外，實驗室還需要24小時恆溫，保證大型儀器能夠正常工作，還有就是要24小時不間斷地除溼，要讓空氣非常乾燥，以確保晶體不會潮解。
我們所使用的光是波長在780納米到810納米之間的近紅外光，肉眼很難分辨。而且我們用單光子的水平光，光線更加微弱，我們在做實驗的時候，一定要保持全暗室的環境。
我們做實驗的時候，通常就是在地下室，在一個非常乾燥、全暗室的環境中，每天站立七八個小時，去微調光路，去測量，等等。其實有的時候覺得做實驗挺辛苦的，但是在辛苦當中，我們有很多的收穫，有很多甜蜜的時候。
我們是從2013年的時候，才真正開始進入到量子行走的實驗研究，但是我們在2015年的時候，就打破了當時由澳大利亞的實驗物理學家所保持的一個自由空間的光量子行走最長演化時長的世界紀錄。
後來，我們不斷提高我們的技術，並且改進我們的方案，我們也一再地打破了自己所創造的世界紀錄。迄今為止，我們都是這個世界紀錄的保持者。我們現在在自由空間中可以做到30步演化的紀錄，在光纖中就更多了，可以很輕鬆地做到幾百步的演化。
我們有一個非常好的實驗平臺，也做出了一些很重要的工作，論文也發表在《自然》雜誌的子刊上，比如Nature Physics，Nature Communication等，都是物理學方面的國際主流期刊。
如果我可以把生命“浪費”在非常美好的一件事情上，對於我來說，就是科研工作上，我覺得是特別值得的一件事情。
量子力學畢竟距離我們的生活特別遙遠，跟我們現實生活中所獲得的經驗都不一樣，所以你會覺得非常的神奇。正因為你覺得它神奇，所以你潛意識中賦予了它更多神秘的力量。
經典世界中解決不了的問題，也許用量子力學就做得了。在科幻迷當中流傳著這麼一句話：遇事不決，量子力學。在寫科幻小說的過程中，如果你遇到了一些情節上的漏洞，不知道該怎麼填坑的時候，就用量子力學這一法寶。
量子力學能讓人大開腦洞，賦予你不明絕厲的力量，就能把這個漏洞填平。這是一個很古老的美劇《星際迷航》的海報，這裡面就有一個梗，把人放在超時空傳送器裡，一摁按鈕，這個人從這個地方突然消失了，而在另外一個地點，瞬間就冒出來了，類似於穿越的概念。
我們知道這在經典世界中是絕對不可能創造出來的，因為它違背了很多物理學原理，最簡單的就是違背了光速不可超越的原理。如果我利用量子力學的原理能不能製備出超時空傳送器呢？
在量子信息中，確實有一個對應的概念，就是量子隱形傳態，指的是在量子糾纏和經典通信輔助的情況下，我們可以把一個微觀粒子所攜帶的量子態，就是量子信息，從一個地方瞬間傳遞到另外一個地方。
這裡傳遞的是量子態，是量子信息，並不是微觀粒子本身，微觀粒子本身不能被瞬間傳遞。宏觀物體，比如說人，更加不可能傳遞了，所以說超時空傳送器只可能存在於科幻小說中。
這張照片是2018年，我國的墨子號衛星實現的地空之間的量子隱形傳態的示意圖，傳遞的是信息，並不是粒子本身。
（圖片來自潘建偉院士團隊）
量子力學是科學不是神學
前段時間朋友圈刷屏了的量子波動速讀的新聞，讓人哭笑不得，說是用到量子波動的原理，可以讓你在5分鐘之內閱讀一本10萬字左右的書，讓人匪夷所思。
這張照片是我親自拍的，2018年，我在某地的一個國際會展中心開會的時候，有一個展商遞給我一張傳單，上面寫的是量子能量血液淨化。
量子力學聽起來非常神奇，但是它是一門嚴肅的科學，它不是神學，也不是玄學，它不能包治百病。
雖然說它催生了很多技術，比如說核能、激光，都造福於人類，但是它不能包治百病，不能輔助養生，像量子鞋墊、量子水、量子內褲、量子淨化血液，這都是沒有任何科學依據的，只是無良商家的噱頭。
而且現在的量子信息技術也遠遠沒有達到能夠進入民用的領域，希望每個人多瞭解一些量子力學的基礎知識，瞭解一些量子信息技術發展的進程，從而能擦亮眼睛，謹防上當。
目前來說，量子信息技術從理論層面上已經不存在任何不可逾越的障礙了，但是從技術層面上還面臨著很多困難，就是人類迄今為止還沒有掌握到一種技術，可以同時製備、操控和存儲足夠多數量的量子比特，所以說它還遠遠沒有達到能夠民用的階段。
但是，它也激勵了廣大科研工作者更大的科研熱情。歡迎有更多的人加入量子信息技術的研究中來。
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