情为何物 只教量子纠缠
原创格致论道讲坛
2020-02-14 11:14:58
什么是世界上最伟大的爱情？那就是量子纠缠！处于量子纠缠的两个物体，就像情人节一对深深相爱的恋人，彼此心灵相通，远在天边却时时思念并无形地连着彼此。不仅如此，量子纠缠所带来的量子密码，就像恋人之间的心领神会的悄悄话一样…
出品："SELF格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）
以下内容为中国科学院物理研究所罗会仟演讲实录：
我今天讲的主题是量子，我带来了三套“玩具”，它们的原理都一样。
我们先做第一个实验。这是一个圆形的轨道，这是一个块状材料，我们把块状材料放到液氮里泡一泡，然后把它放到轨道上。大家看，发生了什么？没错，它悬浮在了轨道上。我推一下，它还能绕着轨道做运动。
下面我们做另外一个实验。这是一个磁铁，这是一个环状物体。从表面看，这个环状物体并没有什么特别之处，其实它内部装有超导线圈。通常，在不接触磁铁的情况下，我们是无法用这个环把磁铁拎起来的。但是如果依靠液氮的帮助，就能实现这一操作。
我们用液氮泡一泡这个环，让它降温。好，大家看，现在磁铁已经被拎起来了，而且完全是悬空的，我们需要用很大力气才能将它拉下来。这其实就是量子的效应。量子实验在现实生活中很容易做，但是同学们在家里不要随便玩这种磁铁，因为它的吸力非常大，不小心就会把你的手夹断。
好，实验就做到这里，我今天要分享的主题是“量子的爱情”。大家都是初中生，还不能谈恋爱。但量子的爱情不一样，下面我们就来讲一讲什么是量子的爱情，量子是怎么谈恋爱的。
电子的排列组合
说到量子，怎样才能找到量子呢？其实只要你的眼睛足够厉害，就能找到原子。把原子剥开后，里面是带正电的原子核和带负电的电子。电子绕着原子核转，不过电子的运动轨迹并不像行星运动轨迹那样有规律，电子是随便乱转的。
原子里有电子，而电子就是一个量子，原子核也是由很多量子组成的。我们经常说电子就是量子，所以如果可以操控电子，那么就可以操控很多量子现象。
为什么电子是量子呢？电子不仅带着负电荷，它还像一个小磁针。生活中有很多磁现象，就是因为电子可以有序地排列。电子的排列呈两种状态：一个朝上，一个朝下，这在物理学里叫自旋。你也不知道它朝上还是朝下，排列是很随机的。
很多人都以为电子长得像球，实际上，粒子长得都不太像球，像球的只有氢原子，粒子的形状都是乱七八糟的，有哑铃状，有梅花状，等等。如果把这些电子放在同一个原子里，大家知道它们会呈什么形式排布吗？会呈立方体的排布。
生活里有什么材料是立方体结构的？对，盐。在一个有序排列的原子里，电子怎么运动呢？没错，这时电子不能随便运动，因为它会遇到各种各样的阻碍，也就是我们常说的电阻。
打个形象的比喻：电子在高速路上奔跑，它遇到了各种各样的“收费站”，电子要停下来交费，能量会受到损失，运动的速度就会变慢，所以说，电子运动受到了一定的阻碍，这就叫电阻。
看上去任何导体都有电阻，那有没有办法去掉电阻呢？刚才我们做实验时用到了液氮，液氮的主要作用就是让导体降温。其实科学家们也做了很多相关猜测，以下是比较有代表性的三个猜测。
第一个猜测是开尔文做出。他认为，温度下降后，电子会被冻住，电阻就会上升，这个猜测听起来好像挺有道理的。
第二个猜测是马西森做出的。他认为，电阻会随温度下降而减小，但有一部分电阻没法避免，总会存在，即便到了绝对零度，电阻还是存在。
第三个猜测是杜瓦做出的。他认为，如果找到一个完美的材料，那么在绝对零度的情况下，这个材料的电阻会是零。
后来人们发现这三个猜测都不太对。刚才实验中用到的超导材料就证明，到了一定温度之后，电阻就会降到零，电阻就会消失。电阻消失的现象又叫超导现象。
超导现象是物理学家卡末林·昂内斯发现的。第一个发现的超导材料是金属汞，当时卡末林·昂内斯将汞的温度降到了4.2K（约-268.8℃），测得其电阻几乎降为零。
电阻为零是什么概念？如果你们知道电磁感应的话，可以造一个电路圈，这时再加入一个磁场，就可以测出相应的感应电流，通过测量感应电流的变化就可以观察出磁场的变化。
如果在超导体中做这个实验，假设加一安培电流的话，大家猜一猜大概多长时间电流会衰减为零呢？
大概要一千亿年的时间。比宇宙的年龄还长。这就是神奇的超导现象，它可以维持这么长的时间。也就是说，它几乎可以做到毫无损耗地传输电能。
为什么电阻会为零呢？让我们回到最开始的主题——量子爱情。
一个带负电的电子在带正电的原子里运动，它会把一群带正电的原子给吸引过来。因为电子和原子的质量差别很大，当它把原子吸引过来以后，自己很快就离开了。这时又来了另外一个电子，这群原子就会将能量重新释放出来给第二个电子。
这样一来，这两个原本毫无关系的电子无形中就有了相互作用，形成了所谓的库伯电子对，它们再也不孤单了，它们“谈恋爱”了，这就是我们今天要讲的爱情。
我之所以将这种爱情比喻成“蕾丝边的爱情”，是因为电子是阴性的，有点像两个女生通过一群男生的介绍后，相互之间产生了爱情。
实际上，材料中的电子有很多，并不只有两个电子。这些电子相距都很远，那如果有一群这样的电子都配成了对，会发生什么情况呢？
那就会在整个材料范围内形成巨大的量子波。在超低温的情况下，这些成对的电子具有大小相等、方向相反的动量，于是可以无阻碍地在原子里运动，这样就没有电阻了。
如果大家很难理解的话，我可以再打一个形象的比喻。电子就像一只有缺陷的蜜蜂，它只有一个翅膀，有的只有左翅膀，有的只有右翅膀，有缺陷的蜜蜂自己飞不起来，必须抱团成对飞。
而且也不能乱飞，要朝着一个方向飞，必须成为电子对。电子对的距离可以非常非常远，但只要其中一个在动，另一个就会跟着动。
原子是有序排列的，电子其实也是有序排列的，它们就像阅兵场上的士兵一样，步伐整齐。一群士兵过来了，另一群士兵又过来了，狭路相逢时怎么办呢？就只能打群架了。
如果我们将两个超导体拼在一起，中间用一个绝缘体将它们隔开，左边超导体和右边超导体中的电子相互不认识的，但是它们都很团结，这两群电子互相打架的时候会产生两个光波，这叫双缝干涉。两群电子还会发生干涉，这叫夫琅禾费衍射。
我们看到，电子在空间上有强有弱地分布，而且是可以调节的，我们只需要稍微改变一点磁场，就可以改变它的形状，如此，我们就可以构造非常灵敏的量子探测器。
电子绕约瑟夫森结一圈，可以正着绕，也可以反着绕，这样出来的磁场会一个朝上，一个朝下，这就是两个量子的叠加态。
量子计算机的应运而生
大家不要小看我刚才讲的知识，那其实就是量子计算机的基本原理。这张照片拍摄的就是量子计算机。
如果构造出量子纠缠，就可以做量子计算了。量子计算非常厉害，非常快。各位同学知道有多快吗？
用一栋楼那么大的计算机集群做某个运算，可能要算一万年，但是用量子计算机进行运算，只需要一秒钟！
不过，量子计算机虽好，建起来却非常难。就好比把两个超导体拼在一起很容易，但是把无数个超导体拼在一起就非常难了。
这是中国科学家做出的20量子比特的芯片，有了量子芯片，就可以做量子计算了。
前不久谷歌宣称研制了一个由50多个量子比特组成的量子处理器。大家可能还体会不到这是什么概念。
未来，50比特量子计算机如果真能建成的话，它将超越现在所有的计算机，现在所有的计算机在它面前都是渣。它会瞬间破解所有密码，那将非常可怕。
大家想象一下，如果将来真有这样的量子计算机，世界会变成什么样。更可怕的是，这个量子计算机不是人造出来的，是AI造出来的，所以很多人都担心未来将是机器人统治人类的时代。
当然，真要建成一台这样的量子计算机非常困难。刚才提到的电子计算机其实持续的时间非常短，状态很容易就会被破坏掉。所以我们需要寻找一个更复杂的量子状态。
照片中的这位科学家很多人都不认识，他是一位苏联科学家，叫波戈留波夫。我们经常笑称他是专门棒打鸳鸯的。
什么意思？刚才讲了，要形成超导效应，电子必须要配成对。但如果给正在谈恋爱的一对电子加上磁场，加上温度，就能把它们给拆开。
一分两散的两个电子不会分成两个电子，而是分成两种不同的粒子，这种粒子就叫波戈留波夫粒子。
波戈留波夫粒子会分成一对费米子——马约拉纳费米子。
马约拉纳是个神秘的物理学家，二十多岁离家出走后就杳无音信。神秘的马约拉纳天生具有超前的物理思维，他预测有一种粒子的反粒子就是它自己。后来证明这种粒子是真实存在的，所以叫它马约拉纳费米子。
我们认为这种粒子就像“天使和魔鬼的共存体”一样，要操纵一个既是天使又是魔鬼的东西非常困难，我们需要非常独特的材料，这个材料首先是超导体，上面还要再做一层拓扑绝缘体，将这两者结合起来后，就会产生神秘的马约拉纳费米子。
有了马约拉纳费米子后，量子芯片就不一样了，它受到了拓扑的保护，就能得到非常稳定的量子状态，只要不强行进行破坏，量子状态就永远存在。拓扑量子计算还能保证计算的精度，实现高精度操作的要求。
量子研究的未来
未来如果真的实现了量子器件的话，我们将迎来一个崭新的量子世界。大家不要觉得量子世界离我们很遥远，实际上它离我们非常近。
谷歌建成了量子计算机，人们也能通过量子模拟器体验量子计算。中国早在几年前就提出了量子计划，计划在十年内建成中国的量子计算机。
如今两三年过去了，中国的量子技术发展取得了巨大进步。大家回想一下，第一台电脑刚造出来的时候有三层楼那么高，有一栋楼那么大。
但现在，我们手中的任何一台手机都比当时第一台计算机要厉害得多。这种快速的变化只用了短短二三十年的时间。
现在好像都是科学家在研究量子计算，没准十年之后，我们的手机、电脑就都量子化了。到时候一台量子手机就相当于现在的一台超级计算机。
而未来一切的实现都依赖于最初的开端：材料量子世界里一群电子产生的爱情让我们有机会人为地进行操控，有机会构建未来的量子世界。
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