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量子態(tài)（微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-20

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量子態(tài)

微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

電子做穩(wěn)恒的運(yùn)動(dòng)，具有完全確定的能量。這種穩(wěn)恒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為量子態(tài)。量子態(tài)是由一組量子數(shù)表征，這組量子數(shù)的數(shù)目等于粒子的自由度數(shù)。

基本信息

中文名	量子態(tài)
外文名	quantum state
定義	微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
類型	物理學(xué)術(shù)語
提出者	玻爾（N. Bohr）
提出時(shí)間	1913
應(yīng)用學(xué)科	物理學(xué)
適用領(lǐng)域	量子力學(xué)

收起

理論介紹

量子態(tài)即一組量子表征，用來表示量子力學(xué)某一粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

理論方法

分析方法

“原子”或“以太”；“球量子”與“環(huán)量子”概念”。薛曉舟教授介紹的情況，古希臘留基伯認(rèn)為，“原子”或“以太”和“虛空”是萬物之源，這實(shí)際是個(gè)“非對(duì)易代數(shù)”類似的“量子理論”。即如果把不可分割的“原子”或“以太”看成是實(shí)數(shù)，“虛空”看成是虛數(shù)，實(shí)數(shù)與虛數(shù)存在有不可對(duì)易性。這里，“非對(duì)易”可近似理解為“非對(duì)應(yīng)”。彭羅斯認(rèn)為“非對(duì)應(yīng)”最終含有“不可計(jì)算性。

liqichuan先生所說：“來源于我們所處的空間為三維的模式，球狀正是這樣一個(gè)空間最好的體現(xiàn)，而環(huán)狀量子卻違背了這樣一個(gè)空間的基底”。也正是如此，現(xiàn)代科學(xué)才建立了以“球量子”為精神領(lǐng)袖的強(qiáng)大而十分鞏固的“政權(quán)”。也許liqichuan（李奇?zhèn)鳎┫壬f的“復(fù)辟”，就是指會(huì)動(dòng)搖以“球量子”為精神領(lǐng)袖的強(qiáng)大而十分鞏固的“科學(xué)政權(quán)”的理論研究。在近代科學(xué)中引出的負(fù)數(shù)開平方，如所謂“扭量從開根號(hào)”，就是有人說的：“-1可以開根號(hào)得到復(fù)數(shù)，而微分算子可以開根號(hào)得到旋量。復(fù)數(shù)不能比較大小。但量子力學(xué)的波函數(shù)是復(fù)數(shù)的，描述粒子具有自旋，而廣義相對(duì)論一直用世界線來描述粒子，于是相對(duì)論有一個(gè)基本的問題是，世界線體現(xiàn)出粒子的自旋，即

?！边@無疑是對(duì)以“球量子”為精神領(lǐng)袖的強(qiáng)大而十分鞏固的“科學(xué)政權(quán)”不利，所以liqichuan先生才說出“把數(shù)作為宇宙的根本則是畢達(dá)哥拉斯派的復(fù)辟”的話。他的解釋是：“復(fù)數(shù)和復(fù)數(shù)方程是物理學(xué)中在處理復(fù)雜問題時(shí)所經(jīng)常用到的數(shù)學(xué)手段，但討論到具體問題時(shí)則采用實(shí)數(shù)解，因?yàn)橹挥袑?shí)數(shù)解才與觀測(cè)符合”。這個(gè)解釋不正確，因?yàn)轭愃?/span>牛頓力學(xué)體系方程、麥克斯韋電磁力學(xué)體系方程、愛因斯坦相對(duì)論力學(xué)體系方程、薛定諤量子力學(xué)波動(dòng)方程等絕大多數(shù)物理學(xué)方程的數(shù)學(xué)手段，都沒有解決好復(fù)雜的時(shí)間箭頭問題，所以用這種處理辦法才是可取的。例如愛因斯坦的狹義相對(duì)論，就是舍棄取虛數(shù)解的辦法而使計(jì)算具有簡(jiǎn)單性；相反，崔珺達(dá)教授的復(fù)合時(shí)空量子理論，則把愛因斯坦狹義相對(duì)論舍棄的虛數(shù)解撿拾起來，但對(duì)時(shí)間箭頭問題并沒有解決，反而把簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)手段弄復(fù)雜化了。

量子傳輸

聽起來，這并不像是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)：位于北京八達(dá)嶺長(zhǎng)城腳下的送信者，要向站在河北省張家口市懷來縣的收信者發(fā)出一段信息。這段距離僅有16公里，在晴朗的白天，他們彼此甚至目力可及。只是，這并不是一封信、手機(jī)短信或電子郵件，而是好像“時(shí)鐘指針”一樣表示著量子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子態(tài)。

這已經(jīng)是量子態(tài)目前在世界上跑出的最長(zhǎng)距離。6月1日，世界頂級(jí)科學(xué)刊物《自然》雜志的子刊《自然·光子學(xué)》以封面論文的形式，刊登了這項(xiàng)成果：一個(gè)量子態(tài)在八達(dá)嶺消失后，在并沒有經(jīng)過任何載體的情況下，瞬間出現(xiàn)在了16公里以外。實(shí)驗(yàn)的名稱叫做自由空間量子隱形傳態(tài)，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與清華大學(xué)組成的聯(lián)合小組完成。

美國(guó)國(guó)際科技信息網(wǎng)站盛贊，這一成果代表著量子通信應(yīng)用的巨大飛躍。

量子通信應(yīng)用

這確實(shí)是一個(gè)難以令人理解的研究領(lǐng)域，面對(duì)抱著巨大好奇心的公眾，研究者不禁感到苦惱，“想要給大家都講明白實(shí)在是一件痛苦的事”。

早在3年前，中科大前校長(zhǎng)朱清時(shí)院士在形容負(fù)責(zé)組建聯(lián)合小組的中科大教授潘建偉時(shí)也聲稱，潘在量子通信領(lǐng)域的工作“對(duì)于一般人來說是難以理解的”，“不然會(huì)感到更強(qiáng)的震撼力”。

一切還要從量子說起。量子是不可分的最小能量單位，“光量子”就是光的最小單位。

在奇特的量子世界里，量子存在一種奇妙的“糾纏”運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。中科大量子信息實(shí)驗(yàn)室教授彭承志愿意將一對(duì)糾纏狀態(tài)下的光子比作有著“心電感應(yīng)”的兩個(gè)粒子。再用個(gè)更貼切的比喻，糾纏光子就好像一對(duì)“心有靈犀”的骰子，甲乙兩人身處兩地，分別各拿其中一個(gè)骰子，甲隨意擲一下骰子是5 點(diǎn)，與此同時(shí)，乙手中的骰子會(huì)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到5點(diǎn)。

事實(shí)上，乙甚至根本不需要知道也不能查看自己手中究竟握著幾點(diǎn)。因?yàn)樵谖锢韺W(xué)上，每一次對(duì)糾纏光子的測(cè)量都會(huì)破壞原有的狀態(tài)，“就像冰淇淋，你必須嘗一口才知道它的味道。但當(dāng)你嘗了一口時(shí)，冰淇淋就已經(jīng)發(fā)生改變?！币粋€(gè)專業(yè)人士這樣解釋。

因此，甲只需要通過電話、短信等渠道告訴乙，自己剛剛擲出了5點(diǎn)。乙即便不用攤開手掌，也可以知道自己手邊這個(gè)“心電感應(yīng)”的骰子也成了5點(diǎn)。

這聽起來就像一場(chǎng)魔術(shù)表演。只是，甲和乙之間傳送的只是類似“轉(zhuǎn)成5點(diǎn)”之類的信息，而不是實(shí)物。

隱形傳輸距離

這段16公里的旅程創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，這是目前這個(gè)星球中量子態(tài)在自由空間中所能隱形傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離。

事實(shí)上，在量子態(tài)隱形傳輸經(jīng)歷的漫長(zhǎng)旅程中，每一點(diǎn)距離的進(jìn)步都可以被視為一座里程碑。1997年年底，位于奧地利的蔡林格研究小組首次在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上幾米的距離內(nèi)成功地進(jìn)行了這一實(shí)驗(yàn)。

雖然當(dāng)時(shí)的傳輸距離僅達(dá)數(shù)米，但美國(guó)《科學(xué)》雜志卻將其列為該年度全球十大科技進(jìn)展?！犊茖W(xué)》雜志的評(píng)語是：“盡管想要看到《星際旅行》中‘發(fā)送我吧’這樣的場(chǎng)景，我們還得等上一些年，但量子態(tài)隱形傳輸這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，預(yù)示著我們將進(jìn)入由具有不可思議的能力的量子計(jì)算機(jī)發(fā)展而帶來的新時(shí)代?！?/span>

科幻電影《星際旅行》至今仍在科幻娛樂史上排名榜首。它講述了人類的夢(mèng)想：宇航員在特殊裝置中平靜地說一句，“發(fā)送我吧，蘇格蘭人”，他就會(huì)瞬間轉(zhuǎn)移到外星球。在經(jīng)典游戲“暗黑破壞神”中，女巫角色的技能是“瞬間轉(zhuǎn)移”。只要施展這個(gè)魔法，女巫就會(huì)伴著一道閃光消失，并出現(xiàn)在任意一個(gè)想去的地方。

“這種現(xiàn)象，與量子態(tài)隱形傳輸很類似。”一位聯(lián)合小組成員謹(jǐn)慎地選擇著用詞。當(dāng)然，它們并不相同。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，被傳輸?shù)氖切畔⒍⒎菍?shí)物。

1999年，奧地利蔡林格研究小組的論文又與倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對(duì)論等重大研究成果一起，被英國(guó)《自然》雜志選為“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”。當(dāng)時(shí)26歲的年輕人潘建偉正在奧地利維也納大學(xué)跟著蔡林格教授學(xué)習(xí)量子技術(shù)，他的名字也在小組名單中。

不過接下來，發(fā)展并不算順利。直到2004年，蔡林格小組才利用多瑙河底的光纖信道，將量子隱形傳態(tài)距離提高到600米。

這次中國(guó)的實(shí)驗(yàn)在技術(shù)上有了重大創(chuàng)新，光子在傳播過程中會(huì)因偏振而引起變化，聯(lián)合小組的科學(xué)家們對(duì)此進(jìn)行了“正反饋”，即用簡(jiǎn)單的光學(xué)器械控制住光子的偏振態(tài)，使這次實(shí)驗(yàn)的保真度最終達(dá)到了89%。也就是說，“盡管不能正確無誤地發(fā)送每一個(gè)碼，但信息是可以傳送的”。

“如果地點(diǎn)允許，我們本來希望能達(dá)到20公里。”聯(lián)合小組成員、清華大學(xué)物理系副研究員蔣碩覺得很遺憾。他在一間窗臺(tái)上生長(zhǎng)著翠綠爬藤的辦公室里接受了記者的采訪。

隨著高度增加，空氣也會(huì)變得更加稀薄。所以，地表10公里的空氣密度，基本相當(dāng)于從地球到外層空間幾十公里距離的空氣密度?！?0 公里的傳送距離，就表明光子可以在地表與外層空間衛(wèi)星間打一個(gè)來回?！边@也就意味著量子信息可以通過衛(wèi)星在不同地區(qū)，甚至國(guó)家間傳遞。

可在野外實(shí)驗(yàn)，狀況卻無法保證同實(shí)驗(yàn)室里一樣理想而精確。最終，因?yàn)槲恢帽憷芯空邆儗ⅰ懊孛芑亍狈謩e設(shè)在八達(dá)嶺長(zhǎng)城腳下與河北懷來的兩家小旅館，地理距離16公里。

為了用激光為量子態(tài)傳輸打出一個(gè)光鏈路，他們的實(shí)驗(yàn)大多在其他人沉入夢(mèng)鄉(xiāng)的夜晚進(jìn)行。光鏈路是為了幫助隨后分發(fā)的光量子“探路”。那些已經(jīng)睡著了的人并不知道，這群在半夜里還擺弄著有點(diǎn)嚇人的綠色激光的年輕人，也正在實(shí)現(xiàn)這個(gè)世界全新的通信夢(mèng)想。

“盡管我們只傳送了16公里，但這在科學(xué)上證明了量子信息的遠(yuǎn)距離傳輸是可行的，也意味著量子信息通過衛(wèi)星進(jìn)行傳遞有可能實(shí)現(xiàn)?！笔Y碩說。

量子計(jì)算機(jī)

這些站在科學(xué)領(lǐng)域最前沿的中國(guó)物理學(xué)家明白，進(jìn)行量子通信研究，除了能夠?qū)崿F(xiàn)隱形傳態(tài)這種奇妙的物理現(xiàn)象以外，還能夠?qū)崿F(xiàn)更重要的使命，那就是防御一種“還未出現(xiàn)的威脅”。

威脅來自尚未被成功發(fā)明的量子計(jì)算機(jī)。早在上個(gè)世紀(jì)，科學(xué)家們就已經(jīng)開始設(shè)想，用量子系統(tǒng)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象，從而大幅度減少運(yùn)算時(shí)間。如果將未來的量子計(jì)算機(jī)比作大學(xué)教授，今天所謂超級(jí)計(jì)算機(jī)的能力甚至還比不上剛上幼兒園的小班兒童。

你可以想象這樣一個(gè)驚人的對(duì)比：現(xiàn)在對(duì)一個(gè)500位的阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行因子分解，目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)將耗時(shí)上百億年，而量子計(jì)算機(jī)卻只需大約幾分鐘。

“一旦哪個(gè)瘋子發(fā)明出來量子計(jì)算機(jī)，他就可以攻破所有的密碼?！笔Y碩指出了這個(gè)可怕的威脅。事實(shí)上，現(xiàn)在通用的加密方式并非如想象般安全，它們都有破譯的方法，只不過由于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力的限制，破譯一個(gè)密鑰可能要耗費(fèi)上萬年，甚至上百萬年。

如果量子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)，我們目前自以為安全的一切將不堪一擊。那將是一個(gè)超級(jí)神偷，可以偷走現(xiàn)代文明中人們賴以生存的一切——銀行存款、網(wǎng)絡(luò)信息。它也足夠沖破軍事或安全系統(tǒng)，調(diào)轉(zhuǎn)導(dǎo)彈的軌道，令整個(gè)國(guó)家陷入混亂與災(zāi)難。因此，沒有人敢懈怠，“這并不是一項(xiàng)杞人憂天的研究。所有的防御必須出現(xiàn)在進(jìn)攻之前?！泵绹?guó)科學(xué)家的預(yù)言就像一個(gè)倒計(jì)時(shí)牌，“量子計(jì)算機(jī)可能將在50年之后出現(xiàn)。”

因此，“只有采用量子信息才是安全的，必須占據(jù)先機(jī)?！边@樣一切“竊聽手段”將失去原有的意義。如果一個(gè)間諜想要收集情報(bào)，他必須竊取發(fā)送途徑中的光子，經(jīng)過測(cè)量后再次傳給接收者。但因?yàn)楣庾訉?duì)的糾纏特性，這樣的竊取就會(huì)被發(fā)現(xiàn)，“就像被嘗過的冰淇淋一樣”。

當(dāng)然，眼下這只是一場(chǎng)看不見對(duì)手的戰(zhàn)爭(zhēng)?！叭绻麤]有量子計(jì)算機(jī)這支矛，量子信息這面盾就發(fā)揮不出作用。”蔣碩說。他同時(shí)也認(rèn)為，即便技術(shù)成熟，“如果量子計(jì)算機(jī)沒有出現(xiàn)，并沒必要進(jìn)行大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)換代”。

然而，這篇論文發(fā)表后，蜂擁而至的報(bào)道和議論卻讓科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，公眾似乎誤解了自由空間量子隱形傳態(tài)的真正意義，“很多人都認(rèn)為，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功代表著超時(shí)空穿越可能實(shí)現(xiàn)?！?/span>

顯然，能夠傳遞一組信息并不意味著已經(jīng)可以傳遞實(shí)物?！拔覀儗?duì)世界的了解仍然不夠透徹。”一位研究者說?？茖W(xué)家們現(xiàn)在還不知道應(yīng)該如何通過隱形傳輸?shù)姆绞絺魉蛯?shí)物，“我們?cè)?jīng)以為世界上最小的是原子，可是后來發(fā)現(xiàn)原來里面還有質(zhì)子和中子。然而，沒有人知道質(zhì)子和中子是否還能被繼續(xù)拆分。更何況想要傳送一個(gè)生命體，又該如何處理他復(fù)雜的腦電活動(dòng)呢？”

“目前我們實(shí)現(xiàn)的僅僅是單光子量子態(tài)的隱形傳輸，在未來有可能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜量子系統(tǒng)的量子態(tài)隱形傳輸，但距離宏觀物體的量子態(tài)隱形傳輸還具有非常遙遠(yuǎn)的距離。”彭承志說。

也許，正是“非常遙遠(yuǎn)的距離”帶給了人們遐想。畢竟，曾經(jīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上量子態(tài)只能前行幾米，而今，它已經(jīng)可以穿越16公里。將來，它還可能在星球之間傳遞。

“科技發(fā)展的速度有多快誰能知道呢？”一位參加這項(xiàng)研究的科學(xué)家說，“就好像打算盤時(shí)的人們永遠(yuǎn)想不到，在不久的將來，人類發(fā)明出了每秒運(yùn)行幾千億次的電子計(jì)算機(jī)?！?/span>

中國(guó)成果

存放著機(jī)密文件的保險(xiǎn)箱被放入一個(gè)特殊裝置之后，可以突然消失，并且同一瞬間出現(xiàn)在相距遙遠(yuǎn)的另一個(gè)特定裝置中，被人方便地取出。記者從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，日前，由中國(guó)科大和清華大學(xué)組成的聯(lián)合小組在量子態(tài)隱形傳輸技術(shù)上取得的新突破，可能使這種以往只能出現(xiàn)在科幻電影中的“超時(shí)空穿越”神奇場(chǎng)景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。據(jù)聯(lián)合小組研究成員彭承志教授介紹，作為未來量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心要素，量子態(tài)隱形傳輸是一種全新的通信方式，它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息，而是量子態(tài)攜帶的量子信息。

“在經(jīng)典狀態(tài)下，一個(gè)個(gè)獨(dú)立的光子各自攜帶信息，通過發(fā)送和接收裝置進(jìn)行信息傳遞。但是在量子狀態(tài)下，兩個(gè)糾纏的光子互為一組，互相關(guān)聯(lián)，并且可以在一個(gè)地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個(gè)地方瞬間神秘出現(xiàn)。量子態(tài)隱形傳輸利用的就是量子的這種特性，我們首先把一對(duì)攜帶著信息的糾纏的光子進(jìn)行拆分，將其中一個(gè)光子發(fā)送到特定位置，這時(shí)，兩地之間只需要知道其中一個(gè)光子的即時(shí)狀態(tài)，就能準(zhǔn)確推測(cè)另外一個(gè)光子的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)類似‘超時(shí)空穿越’的通信方式。

據(jù)介紹，量子態(tài)隱形傳輸一直是學(xué)術(shù)界和公眾的關(guān)注焦點(diǎn)。1997年，奧地利蔡林格小組在室內(nèi)首次完成了量子態(tài)隱形傳輸?shù)脑硇詫?shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子“超時(shí)空穿越”距離提高到600米。但由于光纖信道中的損耗和環(huán)境的干擾，量子態(tài)隱形傳輸?shù)木嚯x難以大幅度提高。

2004年，中國(guó)科大潘建偉、彭承志等研究人員開始探索在自由空間實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信。在自由空間，環(huán)境對(duì)光量子態(tài)的干擾效應(yīng)極小，而光子一旦穿透大氣層進(jìn)入外層空間，其損耗更是接近于零，這使得自由空間信道比光纖信道在遠(yuǎn)距離傳輸方面更具優(yōu)勢(shì)。

據(jù)悉，該小組早在2005年就在合肥創(chuàng)造了13公里的自由空間雙向量子糾纏“拆分”、發(fā)送的世界紀(jì)錄，同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子的可行性。2007年開始，中國(guó)科大——清華大學(xué)聯(lián)合研究小組在北京架設(shè)了長(zhǎng)達(dá)16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸，證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸穿越大氣層的可行性，為未來基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)奠定了可靠基礎(chǔ)。

據(jù)悉，該成果已經(jīng)發(fā)表在6月1日出版的英國(guó)《自然》雜志子刊《自然光子學(xué)》上，并引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

2022年11月8日消息，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)時(shí)間空間多模量子態(tài)存儲(chǔ)方向取得新進(jìn)展：該團(tuán)隊(duì)的史保森、丁冬生課題組利用磁場(chǎng)操控技術(shù)結(jié)合鐘態(tài)制備的方法實(shí)現(xiàn)了基于冷原子系綜的光子高維軌道角動(dòng)量態(tài)的長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)。

參考資料

[1]

我國(guó)量子態(tài)隱形傳輸獲突破 "超時(shí)空穿越"或?qū)崿F(xiàn)[引用日期2019-07-03]

[2]

我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)多模量子態(tài)的長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ) · 今日頭條-IT之家[引用日期2022-11-08]

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