什麼是世界上最偉大的愛情？那就是量子糾纏！處於量子糾纏的兩個物體，就像情人節一對深深相愛的戀人，彼此心靈相通，遠在天邊卻時時思念並無形地連著彼此。不僅如此，量子糾纏所帶來的量子密碼，就像戀人之間的心領神會的悄悄話一樣…
出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為中國科學院物理研究所羅會仟演講實錄：
我今天講的主題是量子，我帶來了三套“玩具”，它們的原理都一樣。
我們先做第一個實驗。這是一個圓形的軌道，這是一個塊狀材料，我們把塊狀材料放到液氮裡泡一泡，然後把它放到軌道上。大家看，發生了什麼？沒錯，它懸浮在了軌道上。我推一下，它還能繞著軌道做運動。
下面我們做另外一個實驗。這是一個磁鐵，這是一個環狀物體。從表面看，這個環狀物體並沒有什麼特別之處，其實它內部裝有超導線圈。通常，在不接觸磁鐵的情況下，我們是無法用這個環把磁鐵拎起來的。但是如果依靠液氮的幫助，就能實現這一操作。
我們用液氮泡一泡這個環，讓它降溫。好，大家看，現在磁鐵已經被拎起來了，而且完全是懸空的，我們需要用很大力氣才能將它拉下來。這其實就是量子的效應。量子實驗在現實生活中很容易做，但是同學們在家裡不要隨便玩這種磁鐵，因為它的吸力非常大，不小心就會把你的手夾斷。
好，實驗就做到這裡，我今天要分享的主題是“量子的愛情”。大家都是初中生，還不能談戀愛。但量子的愛情不一樣，下面我們就來講一講什麼是量子的愛情，量子是怎麼談戀愛的。
電子的排列組合
說到量子，怎樣才能找到量子呢？其實只要你的眼睛足夠厲害，就能找到原子。把原子剝開後，裡面是帶正電的原子核和帶負電的電子。電子繞著原子核轉，不過電子的運動軌跡並不像行星運動軌跡那樣有規律，電子是隨便亂轉的。
原子裡有電子，而電子就是一個量子，原子核也是由很多量子組成的。我們經常說電子就是量子，所以如果可以操控電子，那麼就可以操控很多量子現象。
為什麼電子是量子呢？電子不僅帶著負電荷，它還像一個小磁針。生活中有很多磁現象，就是因為電子可以有序地排列。電子的排列呈兩種狀態：一個朝上，一個朝下，這在物理學裡叫自旋。你也不知道它朝上還是朝下，排列是很隨機的。
很多人都以為電子長得像球，實際上，粒子長得都不太像球，像球的只有氫原子，粒子的形狀都是亂七八糟的，有啞鈴狀，有梅花狀，等等。如果把這些電子放在同一個原子裡，大家知道它們會呈什麼形式排布嗎？會呈立方體的排布。
生活裡有什麼材料是立方體結構的？對，鹽。在一個有序排列的原子裡，電子怎麼運動呢？沒錯，這時電子不能隨便運動，因為它會遇到各種各樣的阻礙，也就是我們常說的電阻。
打個形象的比喻：電子在高速路上奔跑，它遇到了各種各樣的“收費站”，電子要停下來交費，能量會受到損失，運動的速度就會變慢，所以說，電子運動受到了一定的阻礙，這就叫電阻。
看上去任何導體都有電阻，那有沒有辦法去掉電阻呢？剛才我們做實驗時用到了液氮，液氮的主要作用就是讓導體降溫。其實科學家們也做了很多相關猜測，以下是比較有代表性的三個猜測。
第一個猜測是開爾文做出。他認為，溫度下降後，電子會被凍住，電阻就會上升，這個猜測聽起來好像挺有道理的。
第二個猜測是馬西森做出的。他認為，電阻會隨溫度下降而減小，但有一部分電阻沒法避免，總會存在，即便到了絕對零度，電阻還是存在。
第三個猜測是杜瓦做出的。他認為，如果找到一個完美的材料，那麼在絕對零度的情況下，這個材料的電阻會是零。
後來人們發現這三個猜測都不太對。剛才實驗中用到的超導材料就證明，到了一定溫度之後，電阻就會降到零，電阻就會消失。電阻消失的現象又叫超導現象。
超導現象是物理學家卡末林·昂內斯發現的。第一個發現的超導材料是金屬汞，當時卡末林·昂內斯將汞的溫度降到了4.2K（約-268.8℃），測得其電阻幾乎降為零。
電阻為零是什麼概念？如果你們知道電磁感應的話，可以造一個電路圈，這時再加入一個磁場，就可以測出相應的感應電流，通過測量感應電流的變化就可以觀察出磁場的變化。
如果在超導體中做這個實驗，假設加一安培電流的話，大家猜一猜大概多長時間電流會衰減為零呢？
大概要一千億年的時間。比宇宙的年齡還長。這就是神奇的超導現象，它可以維持這麼長的時間。也就是說，它幾乎可以做到毫無損耗地傳輸電能。
為什麼電阻會為零呢？讓我們回到最開始的主題——量子愛情。
一個帶負電的電子在帶正電的原子裡運動，它會把一群帶正電的原子給吸引過來。因為電子和原子的質量差別很大，當它把原子吸引過來以後，自己很快就離開了。這時又來了另外一個電子，這群原子就會將能量重新釋放出來給第二個電子。
這樣一來，這兩個原本毫無關係的電子無形中就有了相互作用，形成了所謂的庫伯電子對，它們再也不孤單了，它們“談戀愛”了，這就是我們今天要講的愛情。
我之所以將這種愛情比喻成“蕾絲邊的愛情”，是因為電子是陰性的，有點像兩個女生通過一群男生的介紹後，相互之間產生了愛情。
實際上，材料中的電子有很多，並不只有兩個電子。這些電子相距都很遠，那如果有一群這樣的電子都配成了對，會發生什麼情況呢？
那就會在整個材料範圍內形成巨大的量子波。在超低溫的情況下，這些成對的電子具有大小相等、方向相反的動量，於是可以無阻礙地在原子裡運動，這樣就沒有電阻了。
如果大家很難理解的話，我可以再打一個形象的比喻。電子就像一隻有缺陷的蜜蜂，它只有一個翅膀，有的只有左翅膀，有的只有右翅膀，有缺陷的蜜蜂自己飛不起來，必須抱團成對飛。
而且也不能亂飛，要朝著一個方向飛，必須成為電子對。電子對的距離可以非常非常遠，但只要其中一個在動，另一個就會跟著動。
原子是有序排列的，電子其實也是有序排列的，它們就像閱兵場上的士兵一樣，步伐整齊。一群士兵過來了，另一群士兵又過來了，狹路相逢時怎麼辦呢？就只能打群架了。
如果我們將兩個超導體拼在一起，中間用一個絕緣體將它們隔開，左邊超導體和右邊超導體中的電子相互不認識的，但是它們都很團結，這兩群電子互相打架的時候會產生兩個光波，這叫雙縫干涉。兩群電子還會發生干涉，這叫夫琅禾費衍射。
我們看到，電子在空間上有強有弱地分佈，而且是可以調節的，我們只需要稍微改變一點磁場，就可以改變它的形狀，如此，我們就可以構造非常靈敏的量子探測器。
電子繞約瑟夫森結一圈，可以正著繞，也可以反著繞，這樣出來的磁場會一個朝上，一個朝下，這就是兩個量子的疊加態。
量子計算機的應運而生
大家不要小看我剛才講的知識，那其實就是量子計算機的基本原理。這張照片拍攝的就是量子計算機。
如果構造出量子糾纏，就可以做量子計算了。量子計算非常厲害，非常快。各位同學知道有多快嗎？
用一棟樓那麼大的計算機集群做某個運算，可能要算一萬年，但是用量子計算機進行運算，只需要一秒鐘！
不過，量子計算機雖好，建起來卻非常難。就好比把兩個超導體拼在一起很容易，但是把無數個超導體拼在一起就非常難了。
這是中國科學家做出的20量子比特的芯片，有了量子芯片，就可以做量子計算了。
前不久谷歌宣稱研製了一個由50多個量子比特組成的量子處理器。大家可能還體會不到這是什麼概念。
未來，50比特量子計算機如果真能建成的話，它將超越現在所有的計算機，現在所有的計算機在它面前都是渣。它會瞬間破解所有密碼，那將非常可怕。
大家想象一下，如果將來真有這樣的量子計算機，世界會變成什麼樣。更可怕的是，這個量子計算機不是人造出來的，是AI造出來的，所以很多人都擔心未來將是機器人統治人類的時代。
當然，真要建成一臺這樣的量子計算機非常困難。剛才提到的電子計算機其實持續的時間非常短，狀態很容易就會被破壞掉。所以我們需要尋找一個更復雜的量子狀態。
照片中的這位科學家很多人都不認識，他是一位蘇聯科學家，叫波戈留波夫。我們經常笑稱他是專門棒打鴛鴦的。
什麼意思？剛才講了，要形成超導效應，電子必須要配成對。但如果給正在談戀愛的一對電子加上磁場，加上溫度，就能把它們給拆開。
一分兩散的兩個電子不會分成兩個電子，而是分成兩種不同的粒子，這種粒子就叫波戈留波夫粒子。
波戈留波夫粒子會分成一對費米子——馬約拉納費米子。
馬約拉納是個神秘的物理學家，二十多歲離家出走後就杳無音信。神秘的馬約拉納天生具有超前的物理思維，他預測有一種粒子的反粒子就是它自己。後來證明這種粒子是真實存在的，所以叫它馬約拉納費米子。
我們認為這種粒子就像“天使和魔鬼的共存體”一樣，要操縱一個既是天使又是魔鬼的東西非常困難，我們需要非常獨特的材料，這個材料首先是超導體，上面還要再做一層拓撲絕緣體，將這兩者結合起來後，就會產生神秘的馬約拉納費米子。
有了馬約拉納費米子後，量子芯片就不一樣了，它受到了拓撲的保護，就能得到非常穩定的量子狀態，只要不強行進行破壞，量子狀態就永遠存在。拓撲量子計算還能保證計算的精度，實現高精度操作的要求。
量子研究的未來
未來如果真的實現了量子器件的話，我們將迎來一個嶄新的量子世界。大家不要覺得量子世界離我們很遙遠，實際上它離我們非常近。
谷歌建成了量子計算機，人們也能通過量子模擬器體驗量子計算。中國早在幾年前就提出了量子計劃，計劃在十年內建成中國的量子計算機。
如今兩三年過去了，中國的量子技術發展取得了巨大進步。大家回想一下，第一臺電腦剛造出來的時候有三層樓那麼高，有一棟樓那麼大。
但現在，我們手中的任何一臺手機都比當時第一臺計算機要厲害得多。這種快速的變化只用了短短二三十年的時間。
現在好像都是科學家在研究量子計算，沒準十年之後，我們的手機、電腦就都量子化了。到時候一臺量子手機就相當於現在的一臺超級計算機。
而未來一切的實現都依賴於最初的開端：材料量子世界裡一群電子產生的愛情讓我們有機會人為地進行操控，有機會構建未來的量子世界。
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