那些你不知道的“量子物理”

何史提

“瞬間轉移”

量子系統有一個很酷的現象，叫作“量子瞬間轉移”（Quantum Teleportation）。利用量子糾纏，這邊位置的量子態會消失，而相等的量子態會在另一遠程位置出現。這個現象在量子光學的實驗中不斷地被驗證。最近的“栗子”就是在加拿大和上海把一束光的量子態進行瞬間轉移，轉移的距離分別是6.2公里和14.7公里。這是一個高等的技術，非常吸引眼球。不過可惜，這只是一個微觀現象，并且只在光學系統上實現，能否拓展到宏觀實物就不得而知了，至少目前還是遙不可及的。

美劇《生活大爆炸》中的“謝耳朵”也提及，即使有一臺量子瞬間轉移機器，他也不會使用，因為所謂的“瞬間轉移”，就是先把現在的他毀滅，然后在另一地方重新構建另一個他，他的思想和靈魂能否轉移又是另一個科學難題了。

上圖就是《星際迷航》中的“瞬間轉移”傳送機。

矛盾的結合：波粒二象性

量子力學和量子場論是和廣義相對論完全不同的東西。人們通常用“時空扭曲”這個圖像去理解引力，而量子理論則完全違反了人類的常識和直覺。

在量子物理中有“波粒二象性”（Wave-particle Duality）的描述方法，一個波（振動）可以看成粒子，反之亦然。最基本的是光，光可以看成是電磁波，也可以看成粒子（稱為光子）。世界十大經典物理實驗之首的電子雙縫干涉實驗，就證實了微觀粒子，諸如電子和中子，也具有波粒二象性。可能你還要問那這又有什么特別的呢？想象你把石子投在水中，泛起了水波。沒錯，但量子力學告訴你，這“水波”也是粒子……

雙縫干涉實驗（Double-slit Experiment）是著名的光學實驗，在量子力學里，用來測試量子物體像如光或電子等的波動性質與粒子性質。

“量子未來”，計算加速

量子物理的一大應用就是量子計算機。摩爾定律（Moores Law）提到集成電路上的晶體管數目每兩年便會翻一倍，因此計算機上的中央處理器也會愈跑愈快。但當晶體管造得越來越少，計算機的增長就會出現停滯。

而量子計算機可以解決這個問題，因為量子計算機的運算方法可以實現一些另類的算法，從算法本質上加快某些計算問題的速度。這同時也促進了作為人工智能的核心資源——計算能力的提升。

量子計算火候已到，微軟公司更是做好了技術儲備迎接“量子未來”，他們專門組建了量子計算機研究院StationQ，從事量子計算基礎研究。

微軟與馬庫斯教授的量子設備研究中心共同組成了StationQ。

“光劍”與非連續特性

量子系統的其中一個特點是系統的能量分布通常不是連續的，能量的轉換是顆粒性的。實驗證明光的能量是一粒一粒的，而每一光子的能量只跟其顏色有關。

其中一個“栗子”是激光，激光其實是量子物理的一個重要工業實現。激光一般都是單色，如果你要另一顏色的激光，就要費神尋找另外一種物質來提供另一能量區間，再產生光子。白色激光的產生可以說是一個突破，因為白色其實是各色混合，亞利桑拿州立大學和清華大學曾制成一塊極薄（60～350納米）的混合半導體，其中，鎘和硒產生紅色激光，鎘和硫產生綠色激光，鋅和硫產生藍色激光，最終產生白色激光。

另外，熒光是原子吸收了高能的紫外線放出低能光子的結果，這也是很多熒光顏色偏紫或藍的原因。

《星球大戰》中的“光劍”便是熒光。

“時空扭曲”與古典物理學

物理學家一般用愛因斯坦的廣義相對論去描述引力，而所謂的“時空扭曲”其實是廣義相對論的數學工具的語言——黎曼幾何學，屬于微分幾何學的一支，其實這也是《美麗心靈》的主角約翰·納什的專長。

有引力就必然有時空扭曲，地球如是，太陽如是，黑洞也是這樣，我們看到的彎曲平面圖，其實就是這些彎曲時空的折合圖。當我們說蘋果從樹上掉下來，可以說蘋果在彎曲空間“滑”下去了，能量的轉換由勢能變成了動能。雖然廣義相對論可以說是牛頓力學和萬有引力定律的延伸，但本質上還是古典物理學。

從這里會掉進時空的深淵嗎？

作為現代物理的兩大支柱，量子物理和相對論的關系可以說是糾纏不清。量子力學和狹義相對論已經結合，并衍生出相對論量子力學和量子場論。可是，量子力學和廣義相對論的結合仍是大坑：前者有隨機性，后者具有確定性。二者結合有大量針鋒相對的理論，所以這條合作之路可以說是道阻且長，不過，只要人類對宇宙的探索永不止步，那么這些問題也終將得到答案。