自然和自然的法則在黑夜中隐藏；

上帝說，讓牛頓去吧！

于是一切都被照亮。

——英國詩人 蒲柏

歡迎來到量子科技的奇幻世界！

量子計算僅需花費200秒即可完成當今最強大的超級計算機需要花費上萬年才能完成的計算能力；量子加密可以瞬間摧毀全球加密防禦體系，讓黑客永遠失業；無論相距多遠，量子通訊可以讓衛星以及登陸其他星球的探測器與地球保持零延遲數據傳輸……

正所謂：遇事不決、量子力學；解釋不通、穿越時空。

那麼，何為量子？量子力學有何神奇特性，有哪些颠覆性創新應用？接下來，“未來半導體”将為您逐一揭曉。

· 帶有 SpaceX 星鍊互聯網衛星系統的太陽能增程器拖車。太陽能電池将光轉化為電流，這一過程稱為光伏效應。隻有當光以光量子的形式出現時才能解釋這種效應——這是量子力學的基石。圖源：Tesla

· 使用光子和電子自旋量子比特，研究人員展示了用于核磁共振的原子尺度傳感，并通過控制核自旋，創造出比以前使用的電子自旋量子比特具有更長相幹時間的核量子比特。圖源：普渡大學

物理學家已通過教科書告訴我們，将遵從經典運動規律（牛頓力學，電磁場理論）的那些物質所構成的世界稱為“經典世界”，将遵從量子力學規律的那類物質所構成的世界稱為“量子世界”。人類對物質世界探索過程中，微觀世界和人類世界，在尺度上相差超過10^15個數量級；如此巨大的差異，注定了微觀、宏觀存在本質的不同。

如果我們觀察水，我們可以很容易地觀察到物質的自發變化特性：在 100 攝氏度時它會蒸發成氣體，在 0 攝氏度時它會凍結成冰。在這兩種情況下，這些新的物質狀态都是水分子重新排列自身的相變的結果，從而改變了物質的特性。諸如磁性或超導性之類的特性是由于電子在晶體中經曆相變而出現的。對于在 -273.15 攝氏度時接近絕對零的溫度下的相變，量子開始産生糾纏現象，量子力學效應開始發揮作用。

量子（quantum）就是量子世界中光、物質和能量離散客體的總稱，即是最小的、不可再分割的能量單位。它既可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子，也可以是BEC、超導體等宏觀尺度下的量子系統。

量子科技是一門新興的物理和工程領域，它的原理是基于如量子糾纏、量子疊加和量子隧穿這“毀三觀”的量子力學特性， 應用在如量子計算、量子測量、量子通訊、量子傳感器、量子密碼學 、量子模拟和量子成像等領域。

量子力學被愛因斯坦和玻爾用“上帝跟宇宙玩擲骰子”來形容的學科，它帶來了許許多多令人震驚不已的結論：相距千裡的兩個粒子可以瞬間聯系（量子糾纏）；電子的行為同時帶有波和粒子的雙重特征（波粒二象性）；不确定的光子可以同時去向兩個方向（海森堡測不準原理）……以至于愛因斯坦不得不感歎道：“量子力學越是取得成功，它自身就越顯得荒誕。”

· 雙縫實驗中出現的幹涉圖案 圖源：sciencefocus

量子力學聽起來高深莫測，卻不是新近出現的新學科領域。1900年德國物理學家M·普朗克提出“量子”概念，經愛因斯坦、玻爾、薛定谔等一批年輕的天才物理學家完善，在20世紀的上半頁初步建立了完整的量子力學理論。科學家發現，微觀粒子有着與宏觀世界的物理客體完全不同的特性。

宏觀世界的物理客體，要麼是粒子，要麼是波動，它們遵從經典物理學的運動規律，而微觀世界的所有粒子卻同時具有粒子性和波動性，它們顯然不遵從經典物理學的運動規律。但是，近百年來，凡是量子力學預言的都被實驗所證實，人們公認，量子力學是人類迄今最成功的理論。

量子力學在公衆的眼中就像薛定谔那隻“又死又活”的貓，玄之又玄，讓人迷之又迷。

量子糾纏（Quantum entanglement），構成量子加密通信和量子計算的核心原理。兩個糾纏的栗子，一個近在眼前，一個遠在天邊，當其中一個被測量，另一個瞬間便會感知，完成相應的狀态改變，而且反應速度是超光速的。

打個比方，比如遺傳基因，親人之間有什麼變化都能感應出來；有心靈感應的雙胞胎一樣，或哭或笑，都會有同樣的反應。但似乎這與距離沒有關系，有的人距離再近都感覺不到，但有的人關山萬裡就能感知。易經上講“寂然不動，感而遂通”，就是這個道理。所以隻要測定了其中一個的狀态，另一個的狀态也會相應确定。

· 采取超薄玻璃片的超表面，上面覆蓋着由半導體材料砷化镓制成的納米結構。當激光穿過超表面時，一些從另一側出來的光子會以糾纏對的形式出現。圖源：桑迪亞國家實驗室和馬克斯-普朗克研究所

1964 年，物理學家約翰·貝爾假設，即使粒子相距甚遠，這種變化也可以被誘導并立即發生。貝爾定理被認為是現代物理學中的一個重要思想，但它與其他公認的物理學原理相沖突。例如，阿爾伯特·愛因斯坦在貝爾提出他的定理之前數年就證明了信息的傳播速度不能超過光速。迷惑不解的愛因斯坦将這種糾纏現象描述為“幽靈般的遠距離動作”。但是量子力學發展到今天，一代又一代的物理學家和科學家實驗一再證實，無論距離多遠，糾纏的粒子确實存在牢不可破的相關性影響。

當研究人員研究糾纏時，他們經常使用一種特殊的晶體從一個晶體中生成兩個糾纏粒子。然後将糾纏的粒子發送到不同的位置。對于這個例子，假設研究人員想要測量粒子旋轉的方向，它可以沿着給定的軸向上或向下。在測量粒子之前，每個粒子都會處于疊加狀态，或者同時“向上旋轉”和“向下旋轉”。

如果研究人員測量一個粒子的自旋方向，然後在其遙遠的糾纏夥伴上重複測量，那麼研究人員總是會發現這對粒子是相關的：如果一個粒子的自旋向上，另一個粒子的自旋将向下（自旋可能相反兩者都上升或都下降，具體取決于實驗的設計方式，但總會存在相關性）。特别的是，假設沿着兩個不同方向分别測量兩個粒子的自旋，則會發現結果違反貝爾不等式；除此以外，還會出現貌似佯謬般的現象：當對其中一個粒子做測量，另外一個粒子似乎知道測量動作的發生與結果。這糾纏的美妙之處在于，隻要知道一個粒子的狀态，就會自動告訴你一些關于它的同伴的信息，即使它們相距數十億光年之遙。

量子糾纏最廣泛使用的應用可能是密碼學。發送者和接收者建立了一個安全的通信鍊路，其中包括一對糾纏粒子。發送者和接收者使用糾纏粒子生成隻有他們自己知道的私鑰，他們可以使用這些私鑰對他們的消息進行編碼。如果有人截獲信号并試圖讀取私鑰，糾纏就會中斷，因為測量糾纏粒子會改變其狀态。這意味着發送者和接收者将知道他們的通信已受到損害。

糾纏的另一個應用是量子計算，其中大量粒子被糾纏在一起，從而使它們能夠協同工作以解決一些大而複雜的問題。例如，隻有 10 個量子位的量子計算機可以表示與 2^10 個傳統位相同的内存量。

量子隧穿（Quantum tunneling），又稱隧穿效應、勢壘貫穿，是量子的一種特性，指微觀粒子可以穿越大于自身總能量的勢壘的量子行為。類似能夠穿過它們本來無法通過的"牆壁"的現象。

量子隧穿效應，無法用經典力學的觀點來解釋。在牛頓力學體系下，因為在沒有外力的作用下，一個小球不可能穿過牆壁，它會彈回來。然而在某些特定條件下，像原子、電子和其他量子尺度的粒子可以穿越不可逾越的障礙，像幽靈一樣穿“牆”而過。

· 圖源：byjus

量子隧穿被定義為一種量子力學過程，其中波函數可以穿透勢壘。通過勢壘的傳輸可以是有限的并且成倍地依賴于勢壘寬度和勢壘高度。波函數具有在一側消失并在另一側重新出現的真實概率。波函數的一階導數是連續的。在穩态情況下，前向軌迹中的概率通量在空間上是均勻的。沒有波或粒子被消除。隧穿發生在厚度約為 1-3 nm 或更小的勢壘上。據預測，量子隧穿将對微電子中使用的晶體管的尺寸造成物理限制。這是由于電子能夠隧穿太小的晶體管。

隧穿效應可以通過海森堡測不準原理的概念來理解。換句話說，電磁粒子精确位置的不确定性使得這些粒子能夠打破經典物理定律并在空間中傳播而不會越過勢能邊界。隧穿原理和不确定性原理是相互兼容的，因為它們将量子體同時視為波和粒子。

· 電子波包通過一處能壘。在經典力學中，這處能壘是無法被克服的，整個電子波包會被反射回來。在量子力學中，得益于量子隧道的存在，一小部分電子波包可以通過這處能壘。請注意右側的微弱光團。圖源：Nature

屏障似乎也是加速量子隧穿的捷徑。1962 年，德州儀器 (TI) 的一位名叫 Thomas Hartman 的半導體工程師寫了一篇論文，明确一個震驚的現象：當一個粒子穿過隧道時，在具有足夠厚的屏障的情況下，粒子可以比在相同距離内穿過空間的光線更快地從一側穿到另一側。也就是說，當有粒子發生量子隧穿時，與沒有障礙物的情況相比，花費的時間更少。

量子隧穿似乎比光速更快，粒子穿越障礙物的能力為物理學家解決了許多謎團。它解釋了各種化學鍵和放射性衰變，以及太陽中的氫核如何克服它們之間的排斥并融合，從而生産足夠的光和熱，使地球上的生命成為可能。促成了量子計算、隧道二極管、掃描隧道顯微鏡、核聚變、超大規模集成 (VLSI) 、量子生物學的應用。

量子疊加（Quantum superposition），就是一個量子同時存在于不同的地方或者存在不同的狀态。它指出，就像經典物理學中的波一樣，任何兩個（或更多）量子态都可以加疊在一起，結果将是另一個有效的量子态；相反，每個量子态都可以表示為兩個或多個其他不同狀态的總和。量子計算就是巧妙地操縱量子疊加态，用量子力學原理作為計算邏輯，超出了經典計算使用的布爾代數的範疇。

電子具有稱為自旋的量子特征，這是一種固有角動量。在存在磁場的情況下，電子可能以兩種可能的自旋狀态存在，通常稱為自旋向上和自旋向下。在被測量之前，每個電子都将有有限的機會處于任一狀态。隻有在測量時才能觀察到它處于特定的自旋狀态。

· 平行宇宙 圖源：Pixabay

另外一層含義，是當我們在一堆量子裡觀察一個量子的時候，往往觀察到的不是一個量子的狀态，而是多個量子的疊加态。當然，這也就另一個概念——平行宇宙理論。傳統的觀點普遍認為，宇宙是不會發生變化且唯一存在的。但量子力學指出了存在着更多不同的宇宙可能性。

回到薛定谔貓這個實驗，根據經典物理學，必須在盒子打開後才知貓到底是死是活，在量子的世界裡，當盒子處于關閉狀态、不确定性的波态，即貓生死疊加。多世界诠釋認為，其實這種共存狀态并沒有被打破，而是創造出了一個平行宇宙，每一個宇宙中，這個量子都有一個确定的狀态，人類隻是處于其中一個特定的宇宙中觀察到了這個量子的狀态。但佛學說“三界唯心，萬法唯識”，我們的感覺似乎是唯一确定的東西。

量子力學在科學界的應用非常廣泛，量子系統的奇異行為更激發了人們對它們如何在大腦工作中發揮作用的猜測。我們的意識或者說“靈魂”，說白了就是和量子力學一樣的體系，它們都具有“多線處理”、“疊加”、“糾纏”的屬性。

2020年諾貝爾物理學獎得主彭羅斯提出“量子靈魂理論”，彭羅斯認為人類甚至包含其他生命體之所以會産生“意識活動”，是由于神經元組織内部有類似于“量子計算機”一樣的“微管構造”。人類意識（或稱靈魂）的産生本質上是“量子力學的物理反應”。彭羅斯通過對人腦神經元的研究，認為這種“邏輯分析”就是建立在“量子疊加态”的基礎上。同時，彭羅斯認為意識本身也不會“消亡”，人死後靈魂離開肉體，以某種形式轉移到另一個地方。

· 一些科學家揭示死後的生命：靈魂在量子水平上繼續存在。圖源：蓋蒂圖片社

美國知名生物學家蘭昆提出了系統的生物中心論，稱生命與生物是真實世界的中心，人在心跳停止、血液流動停止，即物質元素處于停頓狀态時，意識仍可運動，它在肉體活動外，還有其他“量子信息”的痕迹——所謂的“靈魂”。當下發生的每件事情，在平行宇宙中也同時進行，也就是另外一邊的對等意識也會受到影響，即所謂跨“世界”量子糾纏或意識糾纏。

但現在科學研究仍未确定量子與靈魂、意識的關系，但也不能否定這種關系的存在。量子力學本身就是“神秘莫測”的科學。

“我可以很确定的告訴大家：沒有人真正了解量子力學。”狄拉克說。

量子理論誕生一百多年來，國際學界運用多種實驗和數學方法檢驗均發現，量子的奇妙特性客觀存在。量子理論的出現，引發了上個世紀第一次量子革命，并催生包括激光器、晶體管（微芯片）、激光二極管和發光二極管、電子顯微鏡、磁共振成像 (MRI)、全球定位系統 (GPS) 和計算機的工業化應用。

“第二次量子革命的戰鼓已敲響！”英國《自然》雜志評論說。進入21世紀，量子的新發現、新理論、新技術密集湧現，預示着第二次量子革命已進入加速期、起跑期。

“第一次量子革命，人們隻問量子理論能讓我們做什麼，不去問為什麼，是被動的觀測與應用。”中科院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦說，第二次量子革命則是主動利用量子特性，開發出量子通信、量子計算和量子精密測量等創新應用。

例如，量子通信是迄今為止唯一通過數學方式被嚴格證明的絕對安全的通信方式。由于量子具有不可再分、不可複制的特性，一旦傳輸中受到攔截或幹擾，接收方就可以迅速發現。也就是說，量子通信還有“反竊聽”的功能。如果有人竊聽，信息就被偷聽動作改變了，從而可以保證内容的絕密。中國潛艇試驗量子通信的成功驗證了量子在反竊聽工作上可以保證密不透風。業内人士預測，考慮長期在金融、國防、政府等領域的廣泛應用，在推動量子通信向前時，也需利用量子來彌補中國先進芯片的短闆。

大量科學實驗證明，量子計算可以令人類的運算能力實現指數級增長，比如分解300位和5000位的數字，量子算法會把所需時間從15萬年減到不足1秒鐘，從50億年減到2分鐘！傳統測量技術最小隻能探測到微米量級，而量子測量可以進一步精細千倍、萬倍達到原子量級。作為一種高度安全的信息傳輸形式，量子通訊被證明跨星系信号傳輸或者與外星人交流的可能性。

放眼未來，量子計算有望為生物醫療、能源勘探、金融分析、氣象預報等大規模計算提供全新的技術支撐；量子測量發揮精确靈敏的優勢，将在科研、醫療、能源、災害預防等領域一展才華；量子通信融合量子計算和加密技術，構成高速、安全的“量子互聯網”，與人工智能、智能駕駛、軍工、太空探索等技術融合，可為未來世界增添無限可能。

量子技術将是下一輪信息技術的核心，大國角逐的前夜哨聲已經吹響！關于量子科技的重大與前沿應用，請關注下一篇文章：

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