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郭光灿的量子十问


量子十问之一:量子究竟是什么?读过你就不会相信“量子水”了

发布时间:2017-01-04


      1900年,普朗克首次提出量子概念,用来解决困惑物理界的“紫外灾难”问题。


普朗克

普朗克假定,光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的,而是一份一份的,一份“能量”就是所谓量子。从此“量子论”就宣告诞生。

然而当时的物理界,包括普朗克本人,都讨厌“量子”这个怪物,千方百计想要将它消化在经典物理的世界之中,但却屡试不果。唯有爱因斯坦独具慧眼,他认为光辐射不仅在于与物质相互作用时的能量是一份一份的,光辐射的能量,本身就是“量子化”的,一份能量就是光能量的最小单元,后来称之为“光量子”,或简称“光子”。



德布罗意

法国年轻的博士生德布罗意在爱因斯坦“光子”概念的启发下提出:既然看似波动的光辐射,具有“粒子”特性,那么像电子这类看似“粒子”的物质,也应具有波动性。这就是“德布罗意物质波”的概念,由此引发后继大量理论与实验研究,证实所有微观粒子都同时具有波动性和粒子性二象性。这些奇异特性的微观粒子构成“量子世界”,遵从量子力学的运动定律。

随着科学技术的发展,人们认识到“量子世界”不仅限于微观和单个粒子,某些宏观尺度下的多粒子系统也遵从量子力学规律。例如玻色—爱因斯坦凝聚(BEC,当原子聚合的温度足够低时,所有处于不同状态的原子,会突然聚集在同一个尽可能低的能量状态上,其行为就像一个“放大”的玻色子,遵从量子力学规律。

我们按物理运动规律的不同,将遵从经典运动规律(牛顿力学,电磁场理论)的那些物质所构成的世界称为“经典世界”,将遵从量子力学规律的那类物质所构成的世界称为“量子世界”。“量子”就是量子世界中物质客体的总称,它既可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子,也可以是BEC、超导体、“薛定谔猫”等宏观尺度下的量子系统,它们的共同特征就是必须遵从量子力学的规律。

举一个例子说明“量子”与“经典”的本质区别,经典世界的特点是物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的:晶体管要么导通,要么关闭,完全确定。即经典信息要么是0,要么是1,毫不含糊。但量子世界中,客体的物理量则是不确定的、概率性的,而且这种不确定性与实验技术无关,是量子世界的本质特征,无法消除。这个特征体现在量子力学中重要的量子态叠加原理上。

量子态记作$|\psi\rangle$,是科学家引进量子力学中用来描述量子系统的状态,其运动规律是薛定谔方程。

量子态又称波函数或几率幅,它没有任何经典对应。虽然人们并不喜欢量子世界的这种描述,因为它与我们所熟悉的经典世界截然不同,但一百多年来所有实验都证实了量子力学的所有预言,人们不得不承认这种描述是正确的。

费曼

著名物理学家费曼说,“量子力学的奥妙之处就是引入几率幅$\psi$”。

  假定量子客体有两个确定的可能状态0或者1,通常写成$|0\rangle$、$|1\rangle$,由于量子状态(写成$|\psi\rangle$)是不确定的,它一般不会处于$|0\rangle$$|1\rangle$的确定态上,只能处于这两种确定态按某种权重叠加起来的状态上,这就是量子世界独有的量子态叠加原理,用数学表示为$|\psi\rangle=\alpha|0\rangle+\beta|1\rangle$。其中$\alpha$,$\beta$为复数,且满足$|\alpha|^2+|\beta|^2=1$。

  量子信息以$|\psi\rangle$为信息单元,称为量子比特。这从根本上区别于经典信息,后者以$|0\rangle$$|1\rangle$为信息单元,俗称比特。

  正是量子态$|\psi\rangle$的种种奇异特性导致量子信息技术的性能可以突破经典的物理极限,为人类开拓新一代的信息技术。
  事实上,量子力学的所有奇异特性正是源于这个几率幅。当然,近百年来对量子力学争论不休也在于这个几率幅(量子态)。

  目前,网络上就在流传什么“量子肥料”、“量子水”等忽悠人的词,将来还可能出现“量子炸弹”、“量子导弹”……这些忽悠大众的名词将本来应是光辉纯洁的学术领域炒作得乌烟瘴气,真假不分,鱼目混珠。
  其实,人们只要搞懂“量子比特”的本质,就可以戳穿“假量子”的骗局。简单的判据就是看它是否应用到“量子比特”,即$|0\rangle$$|1\rangle$的叠加态。

  例如,激光测距实验,从目标反射回来的光束,其强度随距离不断衰减,当探测器无法探测到光时,就是最长的测量距离。当然,如果采用单光子探测器,则测量距离必然增长。

  这里测到的是单个光子,是否可以称它为“量子测距”呢?

  答案是否定的,因为它没用到光子的量子态,这只是将激光测距提高到极限灵敏度而已,仍属于经典范畴。密立根当年在实验上测量单个电子的电荷,虽然采用单个电子,但这仍然属经典物理实验,因为在该实验中,“单电子”只是作为电荷最小单元,而未涉及到任何量子特性。