日常生活中的量子力学

张梦然++聂翠蓉

“我为我女儿感到幸运，她不需要去学量子力学”，马云笑着对扎克伯格说。

2016年3月19日，北京钓鱼台国宾馆，在一场经济峰会上，两位互联网大咖——Facebook创始人扎克伯格和阿里巴巴创始人马云的对话受到高度关注。他们聊到了最近的人机围棋大战、虚拟现实、创业潮等热门话题，除此之外，他们俩还都谈到了女儿的教养，扎克伯格第一次回应了他给女儿看《给宝宝的量子物理学》的事，而马云更是罕见地第一次提到了自己的女儿。

扎克伯格回答马云，我希望教给她的是一种好奇心，希望她能够自己主动去探索，去不断学习。《给宝宝的量子物理学》，我知道女儿可能没有看懂。不管她未来想做什么，我觉得世界上大部分的变化、变革，都是由于有人来问为什么不能做得更好。这样的一种价值观的疏导，对于她来说非常有益。

量子力学，在科学家爱因斯坦和玻尔的眼中被看作是“上帝跟宇宙玩掷骰子”的学科。

它带来了许许多多令人震惊不已的结论。例如，科学家们发现，电子的行为同时带有波和粒子的双重特征（波粒二象性），但仅仅是加入了人类的观察活动，就足以立刻改变它们的特性；此外还有相隔千里的粒子可以瞬间联系（量子纠缠）；不确定的光子可以同时去向两个方向（海森堡测不准原理）；更别提那只理论假设的猫既死了又活着（薛定谔的猫）……

这些科学发现基本与人们习惯的逻辑思维相违背，以至于爱因斯坦不得不感叹道：“量子力学越是取得成功，它自身就越显得荒诞。”过去的一百年里，量子力学已经为人类带来了太多革命性的发明创造。感慨之余，人们发现，量子力学已经存在于日常生活中。

不确定的量子，极其确定的时钟

作为普通人，一般是不会介意自己的手表快了半分钟，还是慢了十几秒。但是，如果是像美国海军气象天文台那样为一个国家的时间负责的组织，那么这半分半秒的误差都是不被允许的。好在这些重要的组织单位都能够依靠原子钟来保持时间的精准无误。这些原子钟比之前所有存在过的钟表都要精确。其中最强悍的是一台铯原子钟，能够在2000万年之后，依然保持误差不超过1秒。

看到这种精确得能让人紊乱的钟表后，你也许会疑惑：难道真的有什么人或者什么场合会用到它们？答案是肯定的，确实有人需要。比如航天工程师在计算宇宙飞船的飞行轨迹时，必须清楚地了解目的地的位置。不管是恒星还是小行星，它们都时刻处在运动当中。同时距离也是必须考虑的因素。一旦将来我们飞出了所在星系的范围，留给误差的边际范围将会越来越小。

那么，量子力学又与这些有什么关系呢？对于这些极度精准的原子钟来说，导致误差产生的最大敌人，是量子噪声。它们能够消减原子钟测量原子振动的能力。现在，来自德国大学的两位研究人员已经开发出通过调整铯原子的能量层级来抑制量子噪声程度的方法。他们目前正在试图将这一方法应用到所有原子钟上去。毕竟科技越发达，对准时的要求就越高。

量子密码之战无不胜

斯巴达人一向以战斗中的勇敢与凶猛闻名于世，但是人们并不能因此而轻视他们在谋略方面的才干。为了防止敌人事先得知自己的军事行动，斯巴达人使用一种被称作密码棒的东西来为机密信息加密和解密。他们先将一张羊皮纸裹在一根柱状物上，然后在上面书写信息，最后再将羊皮纸取下。借助这种方式，斯巴达的军官能够发出一条敌人看起来语无伦次的命令。而己方人员只需再次将羊皮纸裹在同等尺寸的柱状物上，就能够阅读真正的命令。

斯巴达人朴素的技巧，仅仅是密码学漫长历史的开端。如今，依靠微观物质一些奇异特性的量子密码学，已经公开宣称自己无解。它是一种利用量子纠缠效应、基于单光子偏振态的全新信息传输方式。其安全之处在于，每当有人闯入传输网络，光子束就会出现紊乱，每个结点的探测器就会指出错误等级的增加，从而发出受袭警报；发送与接收双方也会随机选取键值的子集进行比较，全部匹配才认为没有人窃听。换句话说，黑客无法闯入一个量子系统同时不留下干扰痕迹，因为仅仅尝试解码这一举动，就会导致量子密码系统改变自己的状态。相应的，即便有黑客成功拦截获得了一组密码信息的解码钥匙，那他在完成这一举动的同一时刻，也导致了密钥的变化。因而当合法的信息接收者检查钥匙时，就会轻易发现端倪，进而更换新的密钥。

想知道什么是真正的瞬时通信吗

量子力学在过去的岁月里为人们带来的成就弥足珍贵，但科学家们有理由相信，其在未来会奉献得更多。

现在，当你在手机、短信、郵件以及MSN、飞信等等诸如此类的通信工具之间徜徉时，可能以为自己已经被所谓的“瞬时通信”覆盖。实际上，你发出的声音、文字、图像都需要一点时间才能到达目的地，或长或短而已。现在的人们日常所能用到的通信方式，所需时间都极其短，但在很远的未来，人和人之间的交流不会只限于大洲与大洲之间，而可能需要横跨星系，这就使通信时间大大增加——譬如说，在2012年8月6日，“好奇”号火星探测器登陆火星，传回的信号到达地球就有十几分钟的延迟。但这还只是在太阳系中地球和火星的距离，如果将距离延伸得更远，那么科学家们认为，只有量子力学才有能力真正实现“即时”的通信，无论距离多远。

继2016年发射后，世界首颗量子通信卫星“墨子号”再次引起世人关注。最新一期《科学》杂志刊登了中国科技大学潘建伟团队的重要论文，称“墨子号”成功将纠缠光子传回地面并在相距1203公里的基地间保持纠缠不变，从而创造了量子纠缠距离的新纪录。

奥地利维也纳大学量子物理学专家安东·塞林格认为，这是一项非常重要的成就，他认为我国已经真正掌握了从卫星到地面的量子纠缠分发技术，向实现全球范围安全量子通信甚至量子网络迈出了重要的第一步。

量子通信有多种不同方式，目前普遍报道的是量子密钥分发，即通过量子的手段在通信双方之间安全分发和共享随机密钥。而量子安全直接通信的不同之处在于，它不需要通信双方事先共享密钥而直接传输机密信息。如果存在窃听，可以通过安全性检测发现。

远距传输从科幻到现实

科幻片尤其是太空题材的，最爱远距传输：偌大的一个人，在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间出现。

远距离传输就是量子态隐形传输，是在无比奇特的量子世界里，量子呈现的“纠缠”运动状态。该状态的光子如同有“心电感应”，能使需要传输的量子态“超时空穿越”，在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间出现。在“超时空穿越”中它传输的不再是经典信息，而是量子态携带的量子信息，这些量子信息是未来量子通信网络的组成要素。

此前，IBM团队的6名工程师证明，远距传输完全可以实现，至少从理论上来讲是这样。但必须注意的是，“原对象”在此过程中将消失——因为远距传输可不是“传真机”，你原来那份“文件”是会被它销毁的。其貌似“复制”原物体的过程，实际也是对原物体的一种改变。

2009年，美国马里兰州立大学联合量子研究所的科学家进行的“量子信息处理”实验中，成功地实现了从一个原子到1米外的一个容器里的另一个原子的量子隐形传输。尽管在实验中是一个原子转变成另一个原子，由第二个原子扮演起第一个原子的角色，与“原物传送”的概念不同，但原子对原子的传输，却对于研制超密超快的量子计算机和量子通信具有重大意义。

没错，远距传输并不仅在传输物体这一目标上才有价值，在达到这一目的之前，通往“圣域”的各项研究也被证明在其他多重领域大有作为。而所有的量子力学研究，甚至人类所有的科学活动，亦同此理。