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    量子是個什么“子”
    2020-11-23 11:00:28    中國紅領巾
      不久前,習近平爺爺主持了中共中央政治局集體學習,學習的內容是量子科技。量子是什么,它有什么神奇的地方,黨和國家領導人工作繁忙,為什么還要專門抽時間來學它呢?于是E探請來了北京交通大學教師、光學博士陳征叔叔,請他為我們講一講——
     
    量子是個什么“子”
     
      你也算是個“量子”
     
      要說量子,得從科學家的工作說起?茖W家的工作是探索世界,這個“世界”可以很“大”,從我們的日常生活直到浩瀚宇宙都包括在內,被稱作宏觀世界;這個“世界”也可以很“小”,例如比1納米(十億分之一米)還小的事物和它們的現象,被稱作微觀世界。
     
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      1900年前后,隨著科學家對微觀世界的探索不斷深入,他們發現一些在宏觀世界行得通的物理定律,卻無法解釋微觀世界的某些現象。比如在研究電燈發光的問題時,如果按照傳統的熱學分析,就會得到一個“可怕”的結論——電燈可以發出近乎無限大的能量,這顯然是不可能的。這讓科學家們意識到,微觀世界有著自己獨特的規律,不能照搬之前理論。
     
      于是德國一位叫做普朗克的物理學家首次提出了“量子”概念:能量不是像流水那樣連續不斷的,而是可以分成不連續的小份,最小的一份就是一個量子。量子理論解決了微觀世界的很多難題,而普朗克作為量子力學的重要創始人之一,在1918年榮獲諾貝爾物理學獎。
     
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    普朗克(右二)和愛因斯坦(左二)
     
      總而言之,如果一個東西存在不能再分割的最小單元,那么這個最小的單元就是一個“量子”。比如愛因斯坦提出,光也同樣存在“一份一份”的最小單元,后人把這最小的“一份光”叫做一個“光量子”簡稱“光子”。又比如對人類來說,不能再分割的最小單元就是每一個人,所以正在看報的你,也算是人類社會的一個“量子”哦!
     
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    本領神奇作用大
     
      一件事物但凡能在某一方面達到極致,它就一定“身懷絕技”。量子小到了極致,它的“本領”堪稱“神奇”,作用更是巨大。
     
      比如讓光子一個一個排隊通過兩條狹窄的縫隙,如果查看光子留下的“足跡”(光子通過會發生干涉現象),你會得出一個匪夷所思的結論——一個光子居然同時通過了兩條縫隙!更神奇的是,如果我們盯住一個光子,想要親眼看它怎樣同時通過兩條縫隙,光子又會“變老實”,同一時間只會通過一條縫隙。這就是著名的單光子雙縫干涉實驗,光子可以同時從兩條縫通過的特性,被稱作量子世界的“疊加態”特性。
     
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    我們生活中的一個實物粒子不可能同時從兩條縫通過
     
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    神奇的光子卻可以
     
      這個特性對于量子計算機的研制意義重大。今天的計算機,在一個確定的時間,1位存儲位只能存儲0或1兩種狀態中的一種;而對量子計算機來說,1位存儲位則可以同時存儲0,1兩種狀態的疊加態,“天生更聰明”。有了這種“先天優勢”,未來量子計算機的存儲和運算功能將比今天的計算機強大不止千百倍!
     
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      量子世界還有一個神奇的特性叫做“糾纏態”。這種特性我們可以用一個粗糙的比喻來簡單說明:處于“糾纏態”的一對光子,就像存在著心靈感應的雙胞胎,哪怕遠隔千山萬水,一方如果有事,另一方立刻就能察覺。這個特性可以應用于通信技術,比如使處于“糾纏態”的光子分列通信的兩端,一端的光子一旦被竊取,另一端立刻就能發覺……這就從原理上保證了我們國家的通信安全。
     
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      編者按:需要說明的是,以上的說法其實不是特別準確,只是幫助大家初識量子時的一個粗糙的描述。量子物理本身有很嚴謹的數學和物理語言,想要真正理解量子物理,就要從現在開始先學好基礎的數學和物理。
     
    向著2035出發
     
      量子科技方興未艾,我們中國也在不斷取得可喜的進步。
     
      2019年,我國科學家制造出了具有20個超導量子比特的量子芯片,不僅刷新了世界紀錄,更為新型量子計算機的研制打下了很好的基礎。
     
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      還有“墨子號”量子通信衛星,它的成功發射和運行,證明了我們已經能把“糾纏態光子”傳送到幾百公里以外,代表著我國的量子通信技術正在不斷地向著成熟和實用前進。
     
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      在剛剛發布的《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》中,量子信息被列為強化國家戰略科技力量的前沿科技領域。小伙伴們,2035年到來的時候,我們風華正茂,你想不想成為中國量子技術科學家團隊的一員?那就從現在開始努力學習知識,向著2035出發吧!

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