“追梦”量子世界

作者简介

陈宇翱，“80后”青年科学家，合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部重要研究骨干，中国科学技术大学近代物理系教授。2013年欧洲物理学会授予陈宇翱2013年度“菲涅尔奖”，以表彰他在光子、冷原子量子操纵和量子信息、量子模拟等领域的杰出贡献。

什么是量子？

什么是量子？它和原子、电子、中子这些客观存在的粒子一样也是某一种物质实体吗？答案是否定的。量子不是一种粒子，我们在物理学中提到的量子，实际上指的是微观世界的一种行为倾向：物质或者说粒子的能量和其他一些性质（统称为可观测物理量）都倾向于不连续地变化。

例如，我们说“一个光量子”，是因为一个光量子的能量是光能量变化的最小单位，光的能量是以光量子的能量为单位一份一份地变化的。其他的粒子情况也是类似的，例如，在没有被电离的原子中，绕核运动的电子的能量是“量子化”的，也就是说电子的能量只能取特定的离散的值。只有这样，原子才能稳定存在，我们才能解释原子辐射的光谱。除了能量，对于原子中的电子，其角动量也不再是连续变化的。

20世纪初，物理学家普朗克最早猜测到微观粒子的能量可能是不连续的。但是要坚持这个观点，就意味着背叛经典物理学。保守的普朗克最终放弃了这个观点，对于他而言这是一件极为遗憾的事。然而，大量的实验事实迫使物理学界迅速地接受了这样的观点，将其发展起来，并结合其他一些公设如“量子态叠加原理”“概率性测量原理”等，建立了如今的量子物理科学。

神奇的力量：量子纠缠之谜

量子纠缠是另一种违反经典世界常识的量子现象。其中需要考虑这样一个问题，两个粒子组成的量子体系，它的量子叠加态会有什么特殊之处吗？

量子力学预言说，可以制备一种两粒子共同的量子态，其中每个粒子状态之间的关联关系不能被经典物理学解释，这称为量子关联，这样的态称为两粒子量子纠缠态。

爱因斯坦的相对论指出：相互作用的传播速度是有限的，不大于光速。可是，如果将处于纠缠态中的两个粒子分开很远，当我们对一个粒子的状态进行测量时，任何相互作用都来不及传递到另一个粒子上。按道理讲，另一个粒子因为没有受到扰动，状态不应该改变。但是这时另一个粒子的状态受到关联关系的制约，已经发生了变化。这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。它似乎违反了爱因斯坦的“定域因果论”，因此量子纠缠态的关联被称为非定域的量子关联。

量子纠缠指的就是两个或多个量子系统之间的非定域的量子关联。量子纠缠的非定域性、非经典性已由大量的实验结果所证实。科学家认为，这是一种“神奇的力量”，可成为具有超级计算能力的量子计算机和量子保密系统的基础。实际上，科学家们发现量子纠缠还有很多奇妙的应用，可以在许多领域中突破传统技术的极限。

量子技术大家族

现在，量子技术已经成为一个新兴的、快速发展中的技术领域。其中，量子通信、量子計算、量子成像、量子测度学和量子生物学是目前取得较大进展的几个方向。

◆量子通信

广义的量子通信是指把量子态从一个地方传送到另一个地方，它的内容包含量子隐形传态、量子纠缠交换和量子密钥分配。狭义的量子通信实际上是指量子密钥分配或者基于量子密钥分配的密码通信。

量子态隐形传输一直是学术界和公众的关注焦点。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息。而量子通道是指可以保持量子态的量子特性的传输通道。（比如说，保偏光纤对于光子的量子偏振态而言就是一种量子通道。但在量子态隐形传输中，量子通道的角色是由双方共享的量子纠缠态所担任的。）接收者在获得这两种信息后，就可以制备出原物量子态的完全复制品。该过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子处于原物的量子态上。

当隐形传输的量子态是一个纠缠态的一部分时，隐形传输就变成了量子纠缠交换。利用纠缠交换，可以将两个原本毫无联系的粒子纠缠起来，在它们之间建立量子关联。

隐形传态和纠缠交换可以把物体的量子信息在瞬间精确无误地传送到遥远的地方，这看起来很像科幻电影中的瞬时传送，或者电子游戏中的传送门之类的神奇功能。当然，在我们能够把生命完全分解成量子信息和经典信息，并建立足够多的纠缠资源之前，传送门还只是个美好的幻想。不过，隐形传态和纠缠交换并不仅仅是一个用来憧憬美好幻想的奇妙现象，利用它们我们可以实现超远距离的量子密钥分配，为全球范围的通信加上一把安全的“量子锁”。

现在，实用的量子通信技术都基于量子密钥分配（Quantum Key Distribution），也就是说仅使用量子态产生经典密钥，需要传递的经典信息则根据这个密钥由经典的私钥加密系统加密。量子通信的安全性保障了密钥的安全性，从而保证加密后的信息是安全的。不用量子通信的方式传递全部经典信息的原因是：在目前和可以预见的未来，这样做的成本都太昂贵，并且可能反而效率低下、不够安全。因此，人们决定只利用量子通信来产生密钥，以便提高效率。量子密钥分配还有一个好处—不需要大面积地改造现有的通信设备和线路。量子密钥分配突破了传统加密方法的束缚，以不可复制的量子状态作为密钥，具有理论上的“无条件安全性”。任何截获或测试量子密钥的操作，都会改变量子状态。这样，截获者得到的只是无意义的信息，而信息的合法接收者也可以从量子态的改变知道密钥曾被截取过。最重要的是，与经典的公钥密码体系不同，即使实用的量子计算机出现甚至得到普及，量子密钥分配仍是安全的。

◆量子计算

量子计算是量子物理学向我们展示的又一种强大的能力。量子计算的概念最先由Richard Feynman提出，源自于对真实物理系统的模拟。在模拟多粒子系统的行为时，描述系统的希尔伯特空间（Hilbert space）的维数会随着粒子数目的增加而呈指数增长。而当需要模拟的粒子数目很多时，一个足够精确的模拟所需的运算时间则变得相当可观，甚至是不切实际的天文数字。例如，考虑模拟一个由40个自旋为1/2的粒子构成的量子系统，经典计算机至少需要的内存为1000G比特，而计算时间演化则需要求一个维矩阵的指数，以目前的经典计算机水平将无法胜任此类任务。Feynman提出，如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少，量子计算机的概念由此诞生。

◆量子成像

量子成像是从利用量子纠缠成像开始逐渐发展起来的一种新的成像技术。量子成像利用光学成像和量子信息进行并行处理，与经典成像相比，两者获取物体信息的物理机制、理论模型、具体光学系统以及成像效果均不相同。量子成像增加了辐射场空间涨落这一获取目标图像及控制图像质量的新的独立信息通道。限制经典成像质量和精度的光场量子涨落这一因素，在量子成像中反而扮演着获取目标图像信息的重要角色。同时，量子成像在成像探测灵敏度、成像系统分辨率、扫描成像速率等方面均可突破经典成像的极限。

量子成像中有一种比较奇妙的现象，被称为鬼成像或者关联成像、符合成像。与经典光学成像只能在同一光路得到该物体的像不同，鬼成像可以在另一条并未放置物体的光路上再现该物体的空间分布信息。将纠缠光子对的双光子分别输入两个不同的线性光学系统中，在其中一个光学系统（取样系统）放置待成像的物体，通过双光子关联测量，在另一个光学系统（参考系统）中再现物体的空间分布信息。其所表现出来的奇特性质已经成为近年来量子光学领域研究前沿的热点问题之一。

◆量子测度学

一个物理量的测量准确度最终取决于其测量标准的准确度。时间频率利用量子频标作为测量标准，而量子频标则是利用原子不同能级之间跃迁所发射或吸收的电磁波频率来作为标准，由于微观量子态的跃迁具有稳定不变的周期，从而使得时间频率具有较高的准确度与稳定度。量子频标也叫原子钟，是当代第一个基于微观量子力学原理做成的计量标准。

自1955年世界上第一台原子钟诞生以来，其准确度和稳定度在不断提高。用于量子频标的理想粒子，应该是完全孤立的、不受外界干扰的、在自由空间静止的粒子，但由于原子热运动及相互间的作用引起的谱线增宽，若想获得更准确的时钟，必须使用光学频率标准。

时间精确测量与国防、科技、民生等息息相关。将长度、温度、电压等物理量转换成频率量即时间的倒数来进行测量，就可以提高其他物理量的精确度。理论上所有物理量都能通过时间频率来进行测量，所有计量单位都可以通过时间频率来定义和导出，从而使所有物理量都统一于时间频率，这会大大提高各种物理量的测量精确度。由于时间频率基准具有最高的准确度，对基准影响因素的研究往往涉及物理学的前沿，因为测量精度的细微提高，常预示着新的物理发现，将推动整个物理学的前进。物理学史上有11个诺贝尔物理学奖与建立时间频率标准有关。时间频率信号涉及国家安全命脉，可以利用局部停播、伪造误码和加载噪声等手段迷惑与打击敌人，实现战略和战术目标，还可以通过发播不同信息码以限制民用用户得到高精度的时间频率信号。因此，精密的时间信号的使用绝不只是一般的计量问题，而是密切关系到国家机密、国防事务等方面。

从全球定位系统（GPS）到国际守时标准，以量子技术为基础的光钟对时间频率的测量能力目前已初步显现，其未来的全部应用目前我们还无法全部预计，但是科学的发展一再表明，时间频率测量精度每提高一个量级，人们对世界的认识就深入一步。光钟作为最新、最有力的时间频率科学研究平台，将更好地推动基础科学的研究和发展。

◆量子生物学

量子生物学是利用量子力学的概念、原理及方法，从分子、原子及电子水平研究生命物质和生命过程的学科。量子力学的创立和发展，吸引着众多物理学家和化学家，促使他们用量子力学的方法分析生物学意义上的电子结构，并把结果和生物学活性联系起来。例如，早在1938年，R.F.施密特就开始了对致癌芳香烃类化合物的研究，试图说明致癌活性与分子的电子结构之间的关系，随后经过普尔曼等人的研究，它现在已成为量子生物学中的重要组成部分。

1939年，物理学家P.Jordan提出了“突变是一种量子过程”的观点，薛定谔在《生命是什么》一书中对这一观点进行了详尽的阐述，提出遗传物质是一种有机分子、遗传性狀以“密码”形式通过染色体而传递等设想。这些设想通过脱氧核糖核酸双螺旋结构模型得到极大的发展，从而奠定了分子生物学的基础。分子的相互作用必然涉及其外围电子的行为，而能够精确描述电子行为的手段就是量子力学。因此量子生物学是分子生物学深入发展的必然趋势，是量子力学与分子生物学发展到一定阶段之后相互结合的产物。

量子生物学的研究方法基本上就是用量子力学的方法来处理一个微观体系的全部计算过程，并利用由此得出的各种参量，说明研究对象的结构、能量状态及变化，进而解释其生物学活性及生命过程。对一个具有生物学意义的体系，根据欲研究分子的结构，选定合适的波函数，代入波动方程中并求解，就是将欲研究的生物学活性转化为量子化的结构模型。计算结果可以得到两类不同性质的指数：能量指数与结构指数。能量指数说明体系的能量状态，如总能量、跃迁能（不同状态之间的能量差）、最高填满分子轨道（电离势）与最低空分子轨道（电子亲合势）等。结构指数说明分子的结构特征，如键级（双键性的大小）、自由价（通过某一原子参与化学反应的能力）、电子电荷等。

只要生物分子本身的化学结构或各级结构已经清楚，就可以研究和这种分子相关联的生物学活性的本质，或者研究它们之间的相互作用。因此，量子生物学所研究的问题实际上包含了分子生物学的全部内容。例如，重要生物大分子的物理性质、各级结构与功能，酶的结构与催化机制，致癌物质的作用机制，药物作用机制等。我们可以把量子生物学的内容归纳为以下四个方面：分子间相互作用力的研究、生物分子的电子结构与反应活性的研究、生物大分子的构象与功能的研究和特异作用与识别机制的研究。

量子生物学还是一门十分年轻的学科，国际量子生物学会（简称ISQB）于1970年成立。量子生物学的发展不仅需要计算方法的改进，还需要与实验结果密切配合。到目前为止，量子生物学还只限于对较小分子的研究，特别是对药物的作用的研究、对复杂生物学问题的探讨，还有待深入。

（本文内容节选自陈宇翱在“SELF格致论道”公益讲坛的主题演讲）