“追夢”量子世界

作者簡介

陳宇翱，“80后”青年科學家，合肥微尺度物質科學國家實驗室量子物理與量子信息研究部重要研究骨干，中國科學技術大學近代物理系教授。2013年歐洲物理學會授予陳宇翱2013年度“菲涅爾獎”，以表彰他在光子、冷原子量子操縱和量子信息、量子模擬等領域的杰出貢獻。

什么是量子？

什么是量子？它和原子、電子、中子這些客觀存在的粒子一樣也是某一種物質實體嗎？答案是否定的。量子不是一種粒子，我們在物理學中提到的量子，實際上指的是微觀世界的一種行為傾向：物質或者說粒子的能量和其他一些性質（統稱為可觀測物理量）都傾向于不連續地變化。

例如，我們說“一個光量子”，是因為一個光量子的能量是光能量變化的最小單位，光的能量是以光量子的能量為單位一份一份地變化的。其他的粒子情況也是類似的，例如，在沒有被電離的原子中，繞核運動的電子的能量是“量子化”的，也就是說電子的能量只能取特定的離散的值。只有這樣，原子才能穩定存在，我們才能解釋原子輻射的光譜。除了能量，對于原子中的電子，其角動量也不再是連續變化的。

20世紀初，物理學家普朗克最早猜測到微觀粒子的能量可能是不連續的。但是要堅持這個觀點，就意味著背叛經典物理學。保守的普朗克最終放棄了這個觀點，對于他而言這是一件極為遺憾的事。然而，大量的實驗事實迫使物理學界迅速地接受了這樣的觀點，將其發展起來，并結合其他一些公設如“量子態疊加原理”“概率性測量原理”等，建立了如今的量子物理科學。

神奇的力量：量子糾纏之謎

量子糾纏是另一種違反經典世界常識的量子現象。其中需要考慮這樣一個問題，兩個粒子組成的量子體系，它的量子疊加態會有什么特殊之處嗎？

量子力學預言說，可以制備一種兩粒子共同的量子態，其中每個粒子狀態之間的關聯關系不能被經典物理學解釋，這稱為量子關聯，這樣的態稱為兩粒子量子糾纏態。

愛因斯坦的相對論指出：相互作用的傳播速度是有限的，不大于光速。可是，如果將處于糾纏態中的兩個粒子分開很遠，當我們對一個粒子的狀態進行測量時，任何相互作用都來不及傳遞到另一個粒子上。按道理講，另一個粒子因為沒有受到擾動，狀態不應該改變。但是這時另一個粒子的狀態受到關聯關系的制約，已經發生了變化。這一現象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”。它似乎違反了愛因斯坦的“定域因果論”，因此量子糾纏態的關聯被稱為非定域的量子關聯。

量子糾纏指的就是兩個或多個量子系統之間的非定域的量子關聯。量子糾纏的非定域性、非經典性已由大量的實驗結果所證實。科學家認為，這是一種“神奇的力量”，可成為具有超級計算能力的量子計算機和量子保密系統的基礎。實際上，科學家們發現量子糾纏還有很多奇妙的應用，可以在許多領域中突破傳統技術的極限。

量子技術大家族

現在，量子技術已經成為一個新興的、快速發展中的技術領域。其中，量子通信、量子計算、量子成像、量子測度學和量子生物學是目前取得較大進展的幾個方向。

◆量子通信

廣義的量子通信是指把量子態從一個地方傳送到另一個地方，它的內容包含量子隱形傳態、量子糾纏交換和量子密鑰分配。狹義的量子通信實際上是指量子密鑰分配或者基于量子密鑰分配的密碼通信。

量子態隱形傳輸一直是學術界和公眾的關注焦點。其基本思想是：將原物的信息分成經典信息和量子信息兩部分，它們分別經由經典通道和量子通道傳送給接收者。經典信息是發送者對原物進行某種測量而獲得的，量子信息是發送者在測量中未提取的其余信息。而量子通道是指可以保持量子態的量子特性的傳輸通道。（比如說，保偏光纖對于光子的量子偏振態而言就是一種量子通道。但在量子態隱形傳輸中，量子通道的角色是由雙方共享的量子糾纏態所擔任的。）接收者在獲得這兩種信息后，就可以制備出原物量子態的完全復制品。該過程中傳送的僅僅是原物的量子態，而不是原物本身。發送者甚至可以對這個量子態一無所知，而接收者是將別的粒子處于原物的量子態上。

當隱形傳輸的量子態是一個糾纏態的一部分時，隱形傳輸就變成了量子糾纏交換。利用糾纏交換，可以將兩個原本毫無聯系的粒子糾纏起來，在它們之間建立量子關聯。

隱形傳態和糾纏交換可以把物體的量子信息在瞬間精確無誤地傳送到遙遠的地方，這看起來很像科幻電影中的瞬時傳送，或者電子游戲中的傳送門之類的神奇功能。當然，在我們能夠把生命完全分解成量子信息和經典信息，并建立足夠多的糾纏資源之前，傳送門還只是個美好的幻想。不過，隱形傳態和糾纏交換并不僅僅是一個用來憧憬美好幻想的奇妙現象，利用它們我們可以實現超遠距離的量子密鑰分配，為全球范圍的通信加上一把安全的“量子鎖”。

現在，實用的量子通信技術都基于量子密鑰分配（Quantum Key Distribution），也就是說僅使用量子態產生經典密鑰，需要傳遞的經典信息則根據這個密鑰由經典的私鑰加密系統加密。量子通信的安全性保障了密鑰的安全性，從而保證加密后的信息是安全的。不用量子通信的方式傳遞全部經典信息的原因是：在目前和可以預見的未來，這樣做的成本都太昂貴，并且可能反而效率低下、不夠安全。因此，人們決定只利用量子通信來產生密鑰，以便提高效率。量子密鑰分配還有一個好處—不需要大面積地改造現有的通信設備和線路。量子密鑰分配突破了傳統加密方法的束縛，以不可復制的量子狀態作為密鑰，具有理論上的“無條件安全性”。任何截獲或測試量子密鑰的操作，都會改變量子狀態。這樣，截獲者得到的只是無意義的信息，而信息的合法接收者也可以從量子態的改變知道密鑰曾被截取過。最重要的是，與經典的公鑰密碼體系不同，即使實用的量子計算機出現甚至得到普及，量子密鑰分配仍是安全的。

◆量子計算

量子計算是量子物理學向我們展示的又一種強大的能力。量子計算的概念最先由Richard Feynman提出，源自于對真實物理系統的模擬。在模擬多粒子系統的行為時，描述系統的希爾伯特空間（Hilbert space）的維數會隨著粒子數目的增加而呈指數增長。而當需要模擬的粒子數目很多時，一個足夠精確的模擬所需的運算時間則變得相當可觀，甚至是不切實際的天文數字。例如，考慮模擬一個由40個自旋為1/2的粒子構成的量子系統，經典計算機至少需要的內存為1000G比特，而計算時間演化則需要求一個維矩陣的指數，以目前的經典計算機水平將無法勝任此類任務。Feynman提出，如果用量子系統所構成的計算機來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少，量子計算機的概念由此誕生。

◆量子成像

量子成像是從利用量子糾纏成像開始逐漸發展起來的一種新的成像技術。量子成像利用光學成像和量子信息進行并行處理，與經典成像相比，兩者獲取物體信息的物理機制、理論模型、具體光學系統以及成像效果均不相同。量子成像增加了輻射場空間漲落這一獲取目標圖像及控制圖像質量的新的獨立信息通道。限制經典成像質量和精度的光場量子漲落這一因素，在量子成像中反而扮演著獲取目標圖像信息的重要角色。同時，量子成像在成像探測靈敏度、成像系統分辨率、掃描成像速率等方面均可突破經典成像的極限。

量子成像中有一種比較奇妙的現象，被稱為鬼成像或者關聯成像、符合成像。與經典光學成像只能在同一光路得到該物體的像不同，鬼成像可以在另一條并未放置物體的光路上再現該物體的空間分布信息。將糾纏光子對的雙光子分別輸入兩個不同的線性光學系統中，在其中一個光學系統（取樣系統）放置待成像的物體，通過雙光子關聯測量，在另一個光學系統（參考系統）中再現物體的空間分布信息。其所表現出來的奇特性質已經成為近年來量子光學領域研究前沿的熱點問題之一。

◆量子測度學

一個物理量的測量準確度最終取決于其測量標準的準確度。時間頻率利用量子頻標作為測量標準，而量子頻標則是利用原子不同能級之間躍遷所發射或吸收的電磁波頻率來作為標準，由于微觀量子態的躍遷具有穩定不變的周期，從而使得時間頻率具有較高的準確度與穩定度。量子頻標也叫原子鐘，是當代第一個基于微觀量子力學原理做成的計量標準。

自1955年世界上第一臺原子鐘誕生以來，其準確度和穩定度在不斷提高。用于量子頻標的理想粒子，應該是完全孤立的、不受外界干擾的、在自由空間靜止的粒子，但由于原子熱運動及相互間的作用引起的譜線增寬，若想獲得更準確的時鐘，必須使用光學頻率標準。

時間精確測量與國防、科技、民生等息息相關。將長度、溫度、電壓等物理量轉換成頻率量即時間的倒數來進行測量，就可以提高其他物理量的精確度。理論上所有物理量都能通過時間頻率來進行測量，所有計量單位都可以通過時間頻率來定義和導出，從而使所有物理量都統一于時間頻率，這會大大提高各種物理量的測量精確度。由于時間頻率基準具有最高的準確度，對基準影響因素的研究往往涉及物理學的前沿，因為測量精度的細微提高，常預示著新的物理發現，將推動整個物理學的前進。物理學史上有11個諾貝爾物理學獎與建立時間頻率標準有關。時間頻率信號涉及國家安全命脈，可以利用局部停播、偽造誤碼和加載噪聲等手段迷惑與打擊敵人，實現戰略和戰術目標，還可以通過發播不同信息碼以限制民用用戶得到高精度的時間頻率信號。因此，精密的時間信號的使用絕不只是一般的計量問題，而是密切關系到國家機密、國防事務等方面。

從全球定位系統（GPS）到國際守時標準，以量子技術為基礎的光鐘對時間頻率的測量能力目前已初步顯現，其未來的全部應用目前我們還無法全部預計，但是科學的發展一再表明，時間頻率測量精度每提高一個量級，人們對世界的認識就深入一步。光鐘作為最新、最有力的時間頻率科學研究平臺，將更好地推動基礎科學的研究和發展。

◆量子生物學

量子生物學是利用量子力學的概念、原理及方法，從分子、原子及電子水平研究生命物質和生命過程的學科。量子力學的創立和發展，吸引著眾多物理學家和化學家，促使他們用量子力學的方法分析生物學意義上的電子結構，并把結果和生物學活性聯系起來。例如，早在1938年，R.F.施密特就開始了對致癌芳香烴類化合物的研究，試圖說明致癌活性與分子的電子結構之間的關系，隨后經過普爾曼等人的研究，它現在已成為量子生物學中的重要組成部分。

1939年，物理學家P.Jordan提出了“突變是一種量子過程”的觀點，薛定諤在《生命是什么》一書中對這一觀點進行了詳盡的闡述，提出遺傳物質是一種有機分子、遺傳性狀以“密碼”形式通過染色體而傳遞等設想。這些設想通過脫氧核糖核酸雙螺旋結構模型得到極大的發展，從而奠定了分子生物學的基礎。分子的相互作用必然涉及其外圍電子的行為，而能夠精確描述電子行為的手段就是量子力學。因此量子生物學是分子生物學深入發展的必然趨勢，是量子力學與分子生物學發展到一定階段之后相互結合的產物。

量子生物學的研究方法基本上就是用量子力學的方法來處理一個微觀體系的全部計算過程，并利用由此得出的各種參量，說明研究對象的結構、能量狀態及變化，進而解釋其生物學活性及生命過程。對一個具有生物學意義的體系，根據欲研究分子的結構，選定合適的波函數，代入波動方程中并求解，就是將欲研究的生物學活性轉化為量子化的結構模型。計算結果可以得到兩類不同性質的指數：能量指數與結構指數。能量指數說明體系的能量狀態，如總能量、躍遷能（不同狀態之間的能量差）、最高填滿分子軌道（電離勢）與最低空分子軌道（電子親合勢）等。結構指數說明分子的結構特征，如鍵級（雙鍵性的大小）、自由價（通過某一原子參與化學反應的能力）、電子電荷等。

只要生物分子本身的化學結構或各級結構已經清楚，就可以研究和這種分子相關聯的生物學活性的本質，或者研究它們之間的相互作用。因此，量子生物學所研究的問題實際上包含了分子生物學的全部內容。例如，重要生物大分子的物理性質、各級結構與功能，酶的結構與催化機制，致癌物質的作用機制，藥物作用機制等。我們可以把量子生物學的內容歸納為以下四個方面：分子間相互作用力的研究、生物分子的電子結構與反應活性的研究、生物大分子的構象與功能的研究和特異作用與識別機制的研究。

量子生物學還是一門十分年輕的學科，國際量子生物學會（簡稱ISQB）于1970年成立。量子生物學的發展不僅需要計算方法的改進，還需要與實驗結果密切配合。到目前為止，量子生物學還只限于對較小分子的研究，特別是對藥物的作用的研究、對復雜生物學問題的探討，還有待深入。

（本文內容節選自陳宇翱在“SELF格致論道”公益講壇的主題演講）