2020-02-14 11:39

量子世界的“爱情”

本文来自:SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:罗会仟(中国科学院物理研究所副研究员),题图来自:《蚁人2:黄蜂女现身》


以下内容来自中国科学院物理研究所副研究员罗会仟的演讲实录:


我今天讲的主题是量子,我带来了三套“玩具”,它们的原理都一样。


我们先做第一个实验。黄金8彩票_[官网首页]这是一个圆形的轨道,这是一个块状材料,我们把块状材料放到液氮里泡一泡,然后把它放到轨道上。大家看,发生了什么?没错,它悬浮在了轨道上。我推一下,它还能绕着轨道做运动。


黄金8彩票_[官网首页]下面我们做另外一个实验。这是一个磁铁,这是一个环状物体。黄金8彩票_[官网首页]从表面看,这个环状物体并没有什么特别之处,其实它内部装有超导线圈。通常,在不接触磁铁的情况下,我们是无法用这个环把磁铁拎起来的。但是如果依靠液氮的帮助,就能实现这一操作。

 

我们用液氮泡一泡这个环,让它降温。好,大家看,现在磁铁已经被拎起来了,而且完全是悬空的,我们需要用很大力气才能将它拉下来。这其实就是量子的效应。量子实验在现实生活中很容易做,但是同学们在家里不要随便玩这种磁铁,因为它的吸力非常大,不小心就会把你的手夹断。

    

黄金8彩票_[官网首页]好,实验就做到这里,我今天要分享的主题是“量子的爱情”。大家都是初中生,还不能谈恋爱。但量子的爱情不一样,下面我们就来讲一讲什么是量子的爱情,量子是怎么谈恋爱的。


电子的排列组合


说到量子,怎样才能找到量子呢?其实只要你的眼睛足够厉害,就能找到原子。把原子剥开后,里面是带正电的原子核和带负电的电子。黄金8彩票_[官网首页]电子绕着原子核转,不过电子的运动轨迹并不像行星运动轨迹那样有规律,电子是随便乱转的。



原子里有电子,而电子就是一个量子,原子核也是由很多量子组成的。我们经常说电子就是量子,所以如果可以操控电子,那么就可以操控很多量子现象。


 为什么电子是量子呢?电子不仅带着负电荷,它还像一个小磁针。生活中有很多磁现象,就是因为电子可以有序地排列。电子的排列呈两种状态:一个朝上,一个朝下,这在物理学里叫自旋。你也不知道它朝上还是朝下,排列是很随机的。



很多人都以为电子长得像球,实际上,粒子长得都不太像球,像球的只有氢原子,粒子的形状都是乱七八糟的,有哑铃状,有梅花状,等等。如果把这些电子放在同一个原子里,大家知道它们会呈什么形式排布吗?会呈立方体的排布。



生活里有什么材料是立方体结构的?对,盐。在一个有序排列的原子里,电子怎么运动呢?没错,这时电子不能随便运动,因为它会遇到各种各样的阻碍,也就是我们常说的电阻。打个形象的比喻:电子在高速路上奔跑,它遇到了各种各样的“收费站”,电子要停下来交费,能量会受到损失,运动的速度就会变慢,所以说,电子运动受到了一定的阻碍,这就叫电阻。



看上去任何导体都有电阻,那有没有办法去掉电阻呢?刚才我们做实验时用到了液氮,液氮的主要作用就是让导体降温。其实科学家们也做了很多相关猜测,以下是比较有代表性的三个猜测。



第一个猜测是开尔文做出。他认为,温度下降后,电子会被冻住,电阻就会上升,这个猜测听起来好像挺有道理的。 第二个猜测是马西森做出的。他认为,电阻会随温度下降而减小,但有一部分电阻没法避免,总会存在,即便到了绝对零度,电阻还是存在。 第三个猜测是杜瓦做出的。他认为,如果找到一个完美的材料,那么在绝对零度的情况下,这个材料的电阻会是零。 


后来人们发现这三个猜测都不太对。刚才实验中用到的超导材料就证明,到了一定温度之后,电阻就会降到零,电阻就会消失。电阻消失的现象又叫超导现象。



超导现象是物理学家卡末林·昂内斯发现的。第一个发现的超导材料是金属汞,当时卡末林·昂内斯将汞的温度降到了4.2K(约-268.8℃),测得其电阻几乎降为零。


电阻为零是什么概念?如果你们知道电磁感应的话,可以造一个电路圈,这时再加入一个磁场,就可以测出相应的感应电流,通过测量感应电流的变化就可以观察出磁场的变化。



如果在超导体中做这个实验,假设加一安培电流的话,大家猜一猜大概多长时间电流会衰减为零呢?


大概要一千亿年的时间。比宇宙的年龄还长。这就是神奇的超导现象,它可以维持这么长的时间。也就是说,它几乎可以做到毫无损耗地传输电能。 为什么电阻会为零呢?让我们回到最开始的主题——量子爱情。



一个带负电的电子在带正电的原子里运动,它会把一群带正电的原子给吸引过来。因为电子和原子的质量差别很大,当它把原子吸引过来以后,自己很快就离开了。这时又来了另外一个电子,这群原子就会将能量重新释放出来给第二个电子。


这样一来,这两个原本毫无关系的电子无形中就有了相互作用,形成了所谓的库伯电子对,它们再也不孤单了,它们“谈恋爱”了,这就是我们今天要讲的爱情。


我之所以将这种爱情比喻成“蕾丝边的爱情”,是因为电子是阴性的,有点像两个女生通过一群男生的介绍后,相互之间产生了爱情。


实际上,材料中的电子有很多,并不只有两个电子。这些电子相距都很远,那如果有一群这样的电子都配成了对,会发生什么情况呢?


那就会在整个材料范围内形成巨大的量子波。在超低温的情况下,这些成对的电子具有大小相等、方向相反的动量,于是可以无阻碍地在原子里运动,这样就没有电阻了。



如果大家很难理解的话,我可以再打一个形象的比喻。电子就像一只有缺陷的蜜蜂,它只有一个翅膀,有的只有左翅膀,有的只有右翅膀,有缺陷的蜜蜂自己飞不起来,必须抱团成对飞。


而且也不能乱飞,要朝着一个方向飞,必须成为电子对。电子对的距离可以非常非常远,但只要其中一个在动,另一个就会跟着动。


原子是有序排列的,电子其实也是有序排列的,它们就像阅兵场上的士兵一样,步伐整齐。一群士兵过来了,另一群士兵又过来了,狭路相逢时怎么办呢?就只能打群架了。



如果我们将两个超导体拼在一起,中间用一个绝缘体将它们隔开,左边超导体和右边超导体中的电子相互不认识的,但是它们都很团结,这两群电子互相打架的时候会产生两个光波,这叫双缝干涉。两群电子还会发生干涉,这叫夫琅禾费衍射。



我们看到,电子在空间上有强有弱地分布,而且是可以调节的,我们只需要稍微改变一点磁场,就可以改变它的形状,如此,我们就可以构造非常灵敏的量子探测器。


电子绕约瑟夫森结一圈,可以正着绕,也可以反着绕,这样出来的磁场会一个朝上,一个朝下,这就是两个量子的叠加态。


量子计算机的应运而生


大家不要小看我刚才讲的知识,那其实就是量子计算机的基本原理。这张照片拍摄的就是量子计算机。



如果构造出量子纠缠,就可以做量子计算了。量子计算非常厉害,非常快。各位同学知道有多快吗?


用一栋楼那么大的计算机集群做某个运算,可能要算一万年,但是用量子计算机进行运算,只需要一秒钟!


不过,量子计算机虽好,建起来却非常难。就好比把两个超导体拼在一起很容易,但是把无数个超导体拼在一起就非常难了。



这是中国科学家做出的20量子比特的芯片,有了量子芯片,就可以做量子计算了。


前不久谷歌宣称研制了一个由50多个量子比特组成的量子处理器。大家可能还体会不到这是什么概念。



未来,50比特量子计算机如果真能建成的话,它将超越现在所有的计算机,现在所有的计算机在它面前都是渣。它会瞬间破解所有密码,那将非常可怕。 大家想象一下,如果将来真有这样的量子计算机,世界会变成什么样。


更可怕的是,这个量子计算机不是人造出来的,是AI造出来的,所以很多人都担心未来将是机器人统治人类的时代。 当然,真要建成一台这样的量子计算机非常困难。刚才提到的电子计算机其实持续的时间非常短,状态很容易就会被破坏掉。所以我们需要寻找一个更复杂的量子状态。


照片中的这位科学家很多人都不认识,他是一位苏联科学家,叫波戈留波夫。我们经常笑称他是专门棒打鸳鸯的。


什么意思?刚才讲了,要形成超导效应,电子必须要配成对。但如果给正在谈恋爱的一对电子加上磁场,加上温度,就能把它们给拆开。



一分两散的两个电子不会分成两个电子,而是分成两种不同的粒子,这种粒子就叫波戈留波夫粒子。


波戈留波夫粒子会分成一对费米子——马约拉纳费米子。



马约拉纳是个神秘的物理学家,二十多岁离家出走后就杳无音信。神秘的马约拉纳天生具有超前的物理思维,他预测有一种粒子的反粒子就是它自己。后来证明这种粒子是真实存在的,所以叫它马约拉纳费米子。



我们认为这种粒子就像“天使和魔鬼的共存体”一样,要操纵一个既是天使又是魔鬼的东西非常困难,我们需要非常独特的材料,这个材料首先是超导体,上面还要再做一层拓扑绝缘体,将这两者结合起来后,就会产生神秘的马约拉纳费米子。



有了马约拉纳费米子后,量子芯片就不一样了,它受到了拓扑的保护,就能得到非常稳定的量子状态,只要不强行进行破坏,量子状态就永远存在。拓扑量子计算还能保证计算的精度,实现高精度操作的要求。



量子研究的未来


未来如果真的实现了量子器件的话,我们将迎来一个崭新的量子世界。大家不要觉得量子世界离我们很遥远,实际上它离我们非常近。


谷歌建成了量子计算机,人们也能通过量子模拟器体验量子计算。中国早在几年前就提出了量子计划,计划在十年内建成中国的量子计算机。 如今两三年过去了,中国的量子技术发展取得了巨大进步。大家回想一下,第一台电脑刚造出来的时候有三层楼那么高,有一栋楼那么大。


但现在,我们手中的任何一台手机都比当时第一台计算机要厉害得多。这种快速的变化只用了短短二三十年的时间。



现在好像都是科学家在研究量子计算,没准十年之后,我们的手机、电脑就都量子化了。到时候一台量子手机就相当于现在的一台超级计算机。


而未来一切的实现都依赖于最初的开端:材料量子世界里一群电子产生的爱情让我们有机会人为地进行操控,有机会构建未来的量子世界。


本文来自:SELF格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:罗会仟(中国科学院物理研究所副研究员),题图来自:《蚁人2:黄蜂女现身》

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