量子，匪夷所思但不“高冷”

原标题：量子，匪夷所思但不“高冷”

量子计算原型机“九章三号”实验装置示意图（部分）。图片由中国科学技术大学提供

“墨子号”量子科学实验卫星与阿里量子隐形传态实验平台建立天地链路（合成照片）。新华社发

距离量子物理学诞生已经过去120多年。诞生之后，随之而来的第一次量子革命，催生出晶体管、激光、核磁共振、LED等一大批技术，这些技术的发展从根本上改变了人们的生活方式。

如今，第二次量子革命的序幕已经悄悄拉开，很多大型企业也积极投入到量子领域。作为前瞻性领域，量子究竟是什么？又将带领技术走向何处？

量子力学：

微观世界的“分身术”

量子是组成物质和能量的离散的基本单位，是一个和经典物理有很大区别的概念。想象一下，如果能进入一个比头发丝还要小1000万倍的微型世界，我们会惊奇地发现，物质与能量会从一个个连续的量变成一个个离散的量。举个例子，就像走上楼梯台阶，走上台阶的人只能站上第1个、第2个、第3个整数台阶，但是不能站在第1.6个或2.4个台阶上，因为不稳定。这种离散的物理学概念就是量子。

生活中，人们看到的太阳光、灯光等都是由一个个光子组成的，光子的能量极小，一个40瓦的灯泡通电后，一秒钟就可以释放出1万亿亿个光子。而组成物质的基本单位——原子，其特征尺度比纳米还要小10倍。目前，量子领域的多种技术能够精确探测到如此小的物体和能量。

微观尺度下的粒子遵循着什么样的运动方式？它和我们熟悉的牛顿力学有什么不同？让我们展开想象，用一个保龄球游戏来说明。

试想一下，假设保龄球道中间以“前三后一”的方式被放上几块挡板，保龄球只能从前面三块挡板中间的两道缝隙穿过去。很明显，只有成功通过缝隙的保龄球才能在后面的挡板上留下撞击痕迹，这些撞击痕迹对应着挡板形成的两条缝隙，组成两条条纹。

现在，让我们把保龄球放在微观领域——缩小到只有原子大小。在如此小的尺度下，保龄球游戏会产生什么不同的现象？在重复了几百次、几千次之后，状况完全不一样了：此时，挡板上的撞击痕迹不再是两条条纹，而是多条纹干涉现象。而后方挡板最中间，也就是被前方挡板挡住的部分，居然是“微观保龄球”撞击概率最高的地方。这其实是以“游戏”的方式描述了物理历史上最经典的实验之一：单电子双缝干射实验。

上面的游戏展示了一个很奇怪的原理：在微观领域，物体可以同时处于多种状态。这就是量子力学的“相干叠加”原理。打个比方，这有点像《西游记》中孙悟空的“分身术”，“微观保龄球”可以被看为变成了两个“分身”，从两道缝隙间同时穿过。这在宏观世界中是令人匪夷所思的。

量子现象：

让很多物理学家惊诧

量子相干叠加原理给量子计算在处理特定问题上提供了更强的计算能力。计算的基本单元叫作一个比特，也就是0或1，宏观世界中它们非此即彼。如果科学家把量子保龄球游戏中的两道狭缝的位置分别编码为0和1，此时的0和1可以同时存在。那么，如果有两个量子比特的话，就有00、01、10、11这4种状态同时存在。如果有50个的话，就是2的50次方个状态同时存在。以此类推，一个寄存器里会同时存在2的n次方种状态。这些指数多的数据，通过量子并行处理和巧妙的算法设计，在特定问题上就可以实现量子加速。