在量子世界行走,是一件非常美好的事情
2020-01-03 20:20

在量子世界行走,是一件非常美好的事情

本文来自微信公众号: SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:薛鹏(北京计算科学研究中心教授),题图来自:视觉中国


“现在的量子信息技术也远远没有达到能够进入民用的领域,希望每个人多了解一些量子力学的基础知识,了解一些量子信息技术发展的进程,从而能擦亮眼睛,谨防上当。”



我是从事量子信息方面研究的,我想先提个问题,如果我的手中有一个球,竖直向上抛起,能不能预测这个球离开我的手以后会做什么样的运动?


p168.co_【官方首页】-澳门银河这个球离开我的手以后,会竖直地向上,在到达一个最高点之后,会垂直地下落,最后再回到我的手心当中。这其实非常简单,因为在日常生活中,应该已经无数次目睹了类似现象的发生,这就是从日常生活中得到的经验。


这其实是一种物理现象,就是宏观物体的运动规律,就像这张图片上所示的枪炮子弹的飞行轨迹一样,都是宏观物体的运动规律,都可以用牛顿力学来解释。



换一个问题,现在我想要研究的是一个微观粒子,想象一下,如果是一个电子,我现在要研究它围绕原子核的运动,能否还能准确地预测它的运动轨迹呢?这个问题可能就有点难度了。p168.co_【官方首页】-澳门银河因为你难以通过日常生活中所获得的经验去给出一个预测了。


研究微观世界的法宝:量子力学


p168.co_【官方首页】-澳门银河因为这个研究的是微观粒子,是一个微观的世界,而微观粒子的运动规律跟我们平常见到的宏观物体运动规律是截然不同的。这时候,我们熟悉的牛顿力学也拯救不了大家了,我们要借助一个法宝,就是量子力学。



刚才说到微观粒子的运动规律跟宏观物体不一样,宏观物体的运动规律,我们可以把它想象成一个人,从一个滑杆上连续地滑下来,所以他的运动模式是连续变化的。


而微观粒子,比如我说到的电子,它只能在一些特定的,并且是离散的轨道上运动,它可以从一个轨道跃迁到另外一个轨道,但是它不能连续地变化,这就是他们之间最大的不同。


像图片上的这个人在爬梯子一样,他只能是一格一格地爬,这就是量子化的概念。


(该系列插图来自NIST)


量子力学是我们研究微观粒子运动规律的一门物理学分支,也是非常重要的一门物理学分支。


我介绍一些跟量子力学有关系的,有可能平时在科普报告或者是新闻报道中也听说过的词,但是可能并不太了解它的意思,比如量子纠缠。


量子纠缠是微观粒子特有的一种特性,它在经典世界中是完全没有对应的,它是指两个微观粒子之间存在着一种联系,这种联系像我们说的心电感应一样。



不管你把它们分离到多远,它们之间完全不需要沟通就能感受到彼此的存在,感受到彼此的状态,这种联系就叫作量子纠缠。它只存在微观粒子之间。


p168.co_【官方首页】-澳门银河比如,现在有这样一对粒子,它们之间存在着量子纠缠的状态,如果我把其中一个粒子留在地球上,另外一个粒子发射到火星上去,这时候只需要对地球的粒子进行测量,我得到它的状态之后,瞬间就可以得到远在火星的粒子的状态,完全知道它的信息,这就是量子纠缠所起的作用。


即便我对火星上的粒子不进行任何操作,也能瞬间获知它的状态,这就是量子纠缠。听起来是不是特别神奇,感觉像科幻小说中的情节,但是事实上,量子纠缠已经在很多物理体系中得到了实验验证。


比如,在实验室中,我们就用到了激光和这样的非线性光学晶体,激光经过这个非线性光学晶体后,它会有一个参量下转换的过程。



在这个过程中,一个光子就会分裂成一对光子,这当中要满足能量守恒、动量守恒等一系列的相位匹配条件,最后产生的这一对光子之间就存在着某种特殊的量子关联。


我把其中一个光子留在实验室中,用墨子号卫星把另外一个光子发射到太空上去,这时,我只需要对留在实验室中的这个光子进行测量,马上就得到了它的状态。


同时我瞬间就知道了远在太空的另一个光子的状态,即便我没办法飞到太空上对它进行测量,我也能瞬间得知它的情况,这就是神奇的量子纠缠。


再来看一张图片,这更加接近我们实验室中制备一对纠缠的光子对的光路图。这是实验室里天天发生的事情,利用光学元件去制备纠缠的光子对。


(图片来源于网络)


量子力学是基础


量子力学离我们的日常生活还是比较遥远的,我们生活在一个宏观的世界中,接触的所有东西都是宏观的。那为什么还要研究量子力学,到底有什么用呢?


其实量子力学跟我们的生活是息息相关的,像半导体技术、晶体管,我们现在所用的核能、激光等技术,都是由量子力学催生的,而且它早就开始造福于人类了。



我研究的方向是量子信息学,电子计算机是人类最伟大的发明之一,因为它给人们的生产生活带来了太多的便捷,可以说它是人类文明发展历程中一个非常重要的标志。



随着半导体技术的发展,还有计算机产业化的进程,现在的电脑越来越便于携带,而且它的计算功能、信息处理能力也是越来越高,越来越快。


但是人类的欲望是永无止境的,人类对于速度的追求也是没有尽头的,我们希望电脑的运行速度能更快一点,但是它的信息处理速度能否像人类所期望的那样,一直永无止境地提高呢?


答案是否定的,因为它会受到物理定律的限制。比如电信号在介质中的传播速度是有上限的,受到物理定律的限制,这时如果想让计算机的运行速度加快,我们需要把这个电子元件做得尽可能小,而且密集。


微处理器芯片集成度的提高决定了电子计算机能否进一步提高它的速度。微处理器芯片的集成度是否能够提高呢?


来看一个经验公式,这是英特尔公司的创始人摩尔提出来的一个经验公式,叫作摩尔定律,是指微处理器芯片的集成度随着时间呈指数增长。



这个增长速度是非常快的,1900年到2020年,这120年间摩尔定律都符合得非常好,这跟半导体工艺的发展也是非常有关系的,都吻合得非常好。


但是这个趋势是不可能一直持续下去的,因为它受到了物理定律的限制。比如电脑用一段时间后,就会发现它发热,是因为经典计算机的信息处理过程是不可逆的。


我们用的计算机,都是由逻辑门形成的加法器、乘法器,这种操作是不可逆的,这种不可逆的过程导致电能转换成热能,热能向空间中耗散出去,这种就不可逆了,所以它就会发热,而材料的散热性能就导致集成度有一个上限。


我们可以寻找一些散热性能更好的新材料,这样就可以进一步提高集成度,从而提高计算机的运行速度。



但这只是治标不治本的办法,如果我们能够找到一种处理信息的过程是可逆的,就可以从根本上解决热耗散的效应。非常幸运的是,量子信息的处理过程就是一种可逆的过程,这是我们研究量子信息的原因之一。


除了要把元件做得越来越紧密之外,还要把元件做得越来越小,最多就能小到原子的尺度了,不能再小了,但是如果说这个电子元件已经接近到原子的尺度,那么就进入到了微观世界。


此时宏观物体的运动规律,比如牛顿力学、麦克斯韦方程就不再起作用了,这时我们又要祭出我们的法宝——量子力学。



以量子力学为基础,把量子力学和经典的计算机科学、经典的信息学结合在一起,就诞生了量子信息学。



量子信息学是以量子力学为基础,对信息的编码、操控、传输以及存储都给予了新的诠释,它也是人类文明发展的一个必然的过程。


迄今为止,它吸引了物理学家、计算机科学家、工程师、材料科学家、数学家等诸多领域的科研工作者的研究热情。同时,它会促进相关的高新技术产业的发展,给整个科学界都注入了新的生命。


我个人的研究方向是量子行走,是量子信息中一个非常微小的分支。量子行走其实是经典随机行走在量子世界中的一个对应。



经典随机行走这个概念听起来也非常陌生,举一个例子,比如我站在一个地方,我手里面有一枚硬币,硬币有两面,我在决定向左向右之前,先抛掷一下这枚硬币,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。


走到一个新的位置,我再抛掷一次,抛掷硬币的过程,我就有50%的机会向左,50%的机会向右,这就引入了随机性,这就是经典的随机行走。


随机行走听起来非常简单,但是用途非常大,比如花粉的布朗运动就是经典的随机行走。


我们可以用经典的随机行走建立数学模型,用它来分析空气中粉尘的运动规律、天体的运动规律,最神奇的股票K线走势也可以用经典的随机行走建立的数学模型来解释,所以它的用途非常大。


如果说把我这个人,还有我手里面的硬币都做量子化处理,使他们变成量子化的微观粒子,这时就得到了量子行走,它就会有完全不一样的性质。



此时,这枚硬币就不仅仅要么是字,要么是花了,它可以是字和花的相干叠加态,这就是一个特殊的量子的性质,它可以处在既是字又是花的状态,就像薛定谔的猫一样,这就导致行走者可以从很多条路同时开始走,这会出现什么样的结果呢?


我在很短的时间就可以走到更大的范围之内,这就是量子的特性引起的。与此同时,因为我跟我的硬币之间有量子纠缠,我们有心电感应,我不需要测量硬币,我不需要看字还是花,我就能感知它是什么状态,我就知道该怎么走了,这样更进一步加速了量子行走的速度。


跟经典的随机行走相比,它的速度是非常有优势的。我们可以利用这种优势去做这样的一个量子搜寻算法,就可以在非常短的时间之内,实现在稻草中去寻找一根针的算法。



在现在这样一个大数据的信息时代,相信量子行走的搜寻算法会有非常广泛的应用前景,如果未来谷歌、百度都用量子行走的算法去排序,你就可以在非常短的时间之内找到更多有效的信息,还有就是大数据等很多的用途。


这是我们在实验室中去实现量子行走的真实场景,因为是做光学实验,所以我们的实验室对环境的要求比较高。



我们通常都是在地下室做实验,因为人类的活动,比如汽车行驶时所造成的振动都会对我们的光路造成影响,影响到我们的实验结果,所以我们都会在地下室建立实验室。


除此之外,我们的实验室对于空气的洁净程度也有要求,我们需要一个超净室的环境,因为空气中的微粒也会对光路造成不稳定的影响。


此外,实验室还需要24小时恒温,保证大型仪器能够正常工作,还有就是要24小时不间断地除湿,要让空气非常干燥,以确保晶体不会潮解。


我们所使用的光是波长在780纳米到810纳米之间的近红外光,肉眼很难分辨。而且我们用单光子的水平光,光线更加微弱,我们在做实验的时候,一定要保持全暗室的环境。


我们做实验的时候,通常就是在地下室,在一个非常干燥、全暗室的环境中,每天站立七八个小时,去微调光路,去测量,等等。其实有的时候觉得做实验挺辛苦的,但是在辛苦当中,我们有很多的收获,有很多甜蜜的时候。


我们是从2013年的时候,才真正开始进入到量子行走的实验研究,但是我们在2015年的时候,就打破了当时由澳大利亚的实验物理学家所保持的一个自由空间的光量子行走最长演化时长的世界纪录。


后来,我们不断提高我们的技术,并且改进我们的方案,我们也一再地打破了自己所创造的世界纪录。迄今为止,我们都是这个世界纪录的保持者。我们现在在自由空间中可以做到30步演化的纪录,在光纤中就更多了,可以很轻松地做到几百步的演化。


我们有一个非常好的实验平台,也做出了一些很重要的工作,论文也发表在《自然》杂志的子刊上,比如Nature Physics,Nature Communication等,都是物理学方面的国际主流期刊。


如果我可以把生命“浪费”在非常美好的一件事情上,对于我来说,就是科研工作上,我觉得是特别值得的一件事情。




量子力学毕竟距离我们的生活特别遥远,跟我们现实生活中所获得的经验都不一样,所以你会觉得非常的神奇。正因为你觉得它神奇,所以你潜意识中赋予了它更多神秘的力量。


经典世界中解决不了的问题,也许用量子力学就做得了。在科幻迷当中流传着这么一句话:遇事不决,量子力学。在写科幻小说的过程中,如果你遇到了一些情节上的漏洞,不知道该怎么填坑的时候,就用量子力学这一法宝。


量子力学能让人大开脑洞,赋予你不明绝厉的力量,就能把这个漏洞填平。这是一个很古老的美剧《星际迷航》的海报,这里面就有一个梗,把人放在超时空传送器里,一摁按钮,这个人从这个地方突然消失了,而在另外一个地点,瞬间就冒出来了,类似于穿越的概念。



我们知道这在经典世界中是绝对不可能创造出来的,因为它违背了很多物理学原理,最简单的就是违背了光速不可超越的原理。如果我利用量子力学的原理能不能制备出超时空传送器呢?


在量子信息中,确实有一个对应的概念,就是量子隐形传态,指的是在量子纠缠和经典通信辅助的情况下,我们可以把一个微观粒子所携带的量子态,就是量子信息,从一个地方瞬间传递到另外一个地方。


这里传递的是量子态,是量子信息,并不是微观粒子本身,微观粒子本身不能被瞬间传递。宏观物体,比如说人,更加不可能传递了,所以说超时空传送器只可能存在于科幻小说中。


这张照片是2018年,我国的墨子号卫星实现的地空之间的量子隐形传态的示意图,传递的是信息,并不是粒子本身。


 (图片来自潘建伟院士团队)


量子力学是科学不是神学


前段时间朋友圈刷屏了的量子波动速读的新闻,让人哭笑不得,说是用到量子波动的原理,可以让你在5分钟之内阅读一本10万字左右的书,让人匪夷所思。



这张照片是我亲自拍的,2018年,我在某地的一个国际会展中心开会的时候,有一个展商递给我一张传单,上面写的是量子能量血液净化。



量子力学听起来非常神奇,但是它是一门严肃的科学,它不是神学,也不是玄学,它不能包治百病。



虽然说它催生了很多技术,比如说核能、激光,都造福于人类,但是它不能包治百病,不能辅助养生,像量子鞋垫、量子水、量子内裤、量子净化血液,这都是没有任何科学依据的,只是无良商家的噱头。


而且现在的量子信息技术也远远没有达到能够进入民用的领域,希望每个人多了解一些量子力学的基础知识,了解一些量子信息技术发展的进程,从而能擦亮眼睛,谨防上当。


目前来说,量子信息技术从理论层面上已经不存在任何不可逾越的障碍了,但是从技术层面上还面临着很多困难,就是人类迄今为止还没有掌握到一种技术,可以同时制备、操控和存储足够多数量的量子比特,所以说它还远远没有达到能够民用的阶段。


但是,它也激励了广大科研工作者更大的科研热情。欢迎有更多的人加入量子信息技术的研究中来。


部分图片来源于网络


本文来自微信公众号: SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:薛鹏(北京计算科学研究中心教授)

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