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解开时间与空间之谜的钥匙:上帝掷色子吗?

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发表于 5 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式
最近一则国外一家叫做霍尼韦尔的公司上了热搜,原因是因为该公司宣布制造出目前全世界运行速度最快的计算机--体积为64的量子计算机。

什么是量子计算机呢?根据介绍,量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。 当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。 与普通计算机不同的是,量子计算机的基本组成单位为量子比特,其主要特征为一个量子比特可以同时处于两个或者多个状态并存,可以同时执行多个任务。与此相对的是普通计算机:其基本计算单位为比特,而每一个比特只可以拥有一个状态,0或者1。那么量子计算机是如何完成这样多种任务并行的复杂运算的呢?

普通的计算机,它的信息被蕴藏在人们熟悉的“比特(Bits)”中—一个比特的状态,只能是0,或者1。但是对于一个量子计算机来说,它所储存的信息可以是被叠加的比特信息—它的信息藏在“量子比特(Qubits)”—一个量子比特的状态可能同时是0和1;而如果是普通计算机,两个比特的信息,将可以储存00,01,10,11这四种可能中的一种,但是对于量子计算机来说,一对量子比特就可以同时储存00,01,10,11这四种状态,因为每一个字节可以同时代表2个状态,因此2个字节就可以同时代表4个状态。这就是说:量子计算机储存的信息每增加一个字节就成几何指数增长,1000个量子比特储存的信息讲师2^1000次方,已经接近无限大。当然,1000体积的量子计算机我们地球目前还没有人能够做出来。目前地球上最为强大的量子计算机是霍尼韦尔制造的量子计算机;霍尼韦尔量子计算机的体积是64,也就是有6个量子比特;目前世界第二强大的量子计算机是谷歌和IBM体积为32(量子比特为5的计算机)的量子计算机。当量子比特为58的时候,量子计算机的速度将超过目前世界上最快的计算机。我国虽然尚未出现体积超超过1000的量子计算机,但是在我国在量子通讯以及加密方面却在全世界遥遥领先:我国是首个使用大气层外的卫星作为量子纠缠的来源在地面建立千公里级别的量子信息加密,这为我国的量子通讯技术在未来大规模运用奠定了基础。

那么量子计算机到底是什么样子的呢?霍尼韦尔的量子计算机由一个篮球大小的不锈钢箱组成,由液氦以略高于绝对零度的温度(原子停止振动的温度)冷却。在这个房间里,漂浮在电脑芯片上的单个原子被激光瞄准、操纵,进行计算。霍尼韦尔在过去的十年里一直朝着这个目标努力,研究并且开发低温和激光工具的技术。目前,霍尼韦尔的量子计算机和摩根大通公司签约,主要帮助摩根大通公司的量子学专家建立诈骗识别型。

想要更深入的了解量子计算机,我们首先来了解一下什么是量子,以及它与传统物理学有何区别。量子是物质不可分割的、物质最小的单位称呼,而量子学则是研究这些微观量子行为方式的学科。

提到量子计算机,就不得不说一下“什么叫做量子力学”。量子力学一种研究从原子现象出发进行的学科,它起源于上个世纪一个神奇的实验:当物理学家们将盛满氦气的试管加热的时候,透过特殊的水晶体,科学家们发现,与想象中的彩虹一般的折射出来的连续而且渐变的光谱不同的是,透过水晶折射出的彩色光线呈现明显的不连续性--实际上在整条“氦气光谱”中只有几个特定的颜色得以显示,每一个特定的颜色代表一个特定的频率,并且每一个颜色的形状呈现出铅笔一样笔直的状态,而每一根铅笔之间没有任何光谱产生。这充分说明了:原子的电子,只可以沿着若干特定的、预设好的、一成不变的轨迹行走,而能量的吸收和释放只能存在于某些状态,而不能存在于这些状态之间的状态。自此,人们开始发现一个崭新的,从微观世界来看待世界的学科。实际上,经过短短几十年的发展,科学家们发现,量子力学不仅可以解释微观物理学,它同样可以完美的解释宏观物理学。

在17到18世纪,人类首先对最常见的量子,光,的运行方式产生兴趣并提出了很多光学理论,其中包括英国托马斯杨提出的双缝干涉实验。但是随着研究的发展,到了19世纪初期,科学家们发现,原有的光学理论和经典物理学理论无法解释某些特殊科学现象,比如黑体辐射现象。1900年马克思•普朗克提出的马克思•普朗克假说,认为能量的吸收并不是持续性的而是离散的(不连续的);能量以一种叫做“量子”的小型能量包的模式被吸收;能量只能以在某些状态存在却不能再某些状态之间存在;光的波长只能在某些特定数值存在(你所看到的光谱“看似”是连续性的彩虹,但是实际上是由很多非连续的波长的光组成的)。之后,科学家们在研究粒子的过程中发现(这里我们举例电子),从上面看,电子要么是上自旋转的,要么是下自旋的;从侧面看,电子要么是左自旋的要么是右自旋的。

量子有非常多奇特的特性。首先,量子是一种波,并且拥有普通波的一切特征。例如,可以和普通波一样发生衍射现象。诸位同学可以联想一下阳光。阳光是由光子组成的,而光子就是一种量子。其实,在整个世界上,有很多不同种类的量子,但是无论它们之间差异多大,行为方式都是一致的。科学家们在过去近一百年时间中,围绕着“量子”这个主题做了很多不同主题的实验,实验结果让人不可置信又震撼异常。因为,量子学中,很可能藏有跨越时间、空间的秘密。

下面笔者来简单介绍一下科学家们所做过的著名实验,以及它所产生的的意义:

一.波粒二象性引发的争论:上帝是否投掷色子?

量子是一种波的实验和证明:量子和波(Waves)一样会发生衍射现象—波穿过墙上两个缝隙后形成两个新的、相互叠加的特殊波纹。但是有趣的是,当你将量子检测仪放入其中一个缝隙外侧时,之后再观察这种衍射现象的时候,虽然粒子依然有可能通过两个空洞,但是两个孔洞背后形成的独特衍射现象神奇的消失了---粒子通过每个孔洞后依然会形成一个新的波纹,但是这两个波纹不再产生相互叠加作用进行交集。衍射现象波纹不复存在。

值得一提的是,虽然实验证明如此,但是爱因斯坦坚信除了量子是一种拥有波概率的例子外,一定还有什么特殊的地方,因为一生忠于经典机械理论,爱因斯坦认为,“与其相信月亮只在我睁开眼睛的时候悬挂在空中,我更愿意相信月亮一直在天空中挂着”。爱因斯坦为此和量子力学的另一个巨匠尼尔斯波尔产生了巨大争执。并展开了下列实验(关于波粒二象性的进阶版本:弦理论下文将简单有所提及)。

二.量子纠缠的发现:物理瞬移成为并非完全不可能的事情


对于量子学巨匠波尔将量子描述成为一种完全由概率支配的波,一生深信一切皆可以被预测的、年轻气盛的爱因斯坦表示无法接受。他一再强调“上帝不掷筛子”,而波尔则毫不客气的反击,“不要指挥上帝应该干什么”。为了证实自己的理论正确,爱因斯坦终于发现了一种量子最为重要、最为神奇的现象:量子纠缠。




爱因斯坦:上帝创造宇宙的时候不投掷色子

量子纠缠指的是,在距离很近的情况下,两个量子会相互纠缠—当一个量子正向旋转的时候,另一个量子一定是向相反方向旋转的。这个纠缠作用会一直伴随两个量子,不受任何距离的阻隔。这种量子特殊行为被爱因斯坦形容为“远程距离的如同幽灵一般的行为”。




爱因斯坦为了证明波尔量子力学的不确定的缺陷性,提出并发现了量子缠绕现象,但是反而证明了波尔的正确性。




爱因斯坦称量子缠绕为“幽灵般的远程行为”

爱因斯坦:Quantum Entanglement Is An Spooky Action At The Distance 量子纠缠是一种幽灵般的远程行为。

爱因斯坦:I'd rather believe the mooon is there whether or not I am looking at it. God doesn't play dices. The Lord is subtle but not malicious. 我宁愿相信不管我看还是不看,月亮就在那里。上帝不投掷色子。上帝很微妙但是不是恶意的。

波尔:"Einstein, stop telling God what to do." 爱因斯坦,停止指挥上帝告诉他应该做什么吧!

爱因斯坦认为,量子的纠缠现象其实也许在量子离得很近的时候,开始纠缠的时候就注定了。比如,当你生产出一副手套后,将左手套和右手套分别放入两个不同的箱子:左箱子和右箱子,然后运送到两个不同的地方。结局是注定的:你在一个地方找到左手套的同时,在另一个箱子里找到的一定是右手套。爱因斯坦认为:上帝不掷色子;一切早已注定。




爱因斯坦反对波尔的证据:不管我们看不看月球都不会消失

但是,实际并非如同爱因斯坦所想。在爱因斯坦去世后不久,在1967年,一个普通的航天学博士,克劳斯,在学习量子力学的时候,在图书馆的角落中注意到一篇非常不引人注意的爱尔兰科学家约翰贝尔(John Bell)发表的文章,给了他关于波尔与爱因斯坦孰是孰非的重要启示。在哥伦比亚大学的有力支持下,博士生克劳斯自己制作了装备并将自己的实验付诸于行动。有趣的是,克劳斯当时设计实验之前,认为爱因斯坦的理论是正确的而量子力学是错误的,但是实验结果恰恰和他之前所想的相反,这让克劳斯与世界陷入了深深的震惊与震撼:量子力学、量子纠缠的确存在,且不受时间和空间的限制。

虽然克劳斯并未成功证明自己原始的观点,但是却证明了波尔派的正确性。2012年,一位叫做Anton的科学家,在我国完成96千米的量子纠缠实验之后,完成了距离143千米的量子纠缠实验(纠缠量子状态转变实验)。但是Anton并没有止于理论上的研究和证明,他想,是否可以利用这个理论完成一些对人类有用的事情。经过两年的实验设计,他于2014年在非洲拉帕马尔岛(La Palma),他成功利用量子纠缠现象将一个光子在一瞬间转移到另一个小岛上;这个转移是在瞬息完成的;光子并没有物理的经过两个岛中间的距离,直接穿越到另一个岛上。这位科学家之后做了很多关于瞬移不同粒子的实验,都取得了成功,证明了一切量子均可瞬移。

如果量子纠缠现象得以应用,那么人们的未来将美好的无可想象。比如:在未来,人们可以通过机器人在各个星球上无限制的采集和利用太空中的珍稀资源而丝毫不必担心运输问题;在未来,人们可以在巴黎吃早餐然后一个瞬移去火星看夕阳(如果在火星建立了传送装置);在未来,人们甚至可以穿越在世间的海洋中,如同神秘博士(Doctor Who)一般,掌控时间,在时间之海中穿梭游荡。

当然,上述“物理瞬移”,实际上风险不小。第一,虽然支持者们相信,经过瞬移的后在另一方“重组”的,是“原版的你”,但是,这仅解释了物质上的重组,而非灵魂上的重组:究竟到达另一个穿越门的,是你,还是一个和你物质上完全相同的“你的复制品”?如果这是一个你的复制品,那么原本的你,岂不是在被分解的那一刻湮灭了吗?如果这是你的复制品,他会有和你一样的记忆吗?会有灵魂吗?如果瞬移机制不够完善或者操纵错误,是否会出现只传送了一条腿或者只传送了一个眼球这种让人恐惧的事情?是否会产生,因为原始的“原料”粒子准备的不到位,导致“复制、传输”出来一个残次品。比如:现在人类已知的粒子组成了我们的物理世界,但是至今尚未有人可以解释灵魂的诞生与组成。如果灵魂也是由一种粒子组成的,而这种粒子不属于我们现在的四维世界,不存在于我们现有的认知当中,那么瞬移的传递方就无法将这个信息检测并且传输给接收方了。所以在这个人体传输例子当中,传送后,人体可能出现肉体穿越但是灵魂无法穿越的现象。




量子瞬移

虽然量子力学的支持者们对瞬移技术深信不疑,但是依然不乏有人包括最早设立量子纠缠实验的科学家克劳斯和小编。小编认为,瞬移到达的只是一具100%克隆品,但是人的灵魂属于更高维度的产物,以目前人类的认知水平,做不到物质和灵魂的同时穿越。科学家克劳斯在2014年的采访中对记者笑谈,时至今日他依然无法完全理解量子力学的运行方式,“如果是我,我不会走进那架(瞬移)电梯”。

虽然人体瞬移值得让人怀疑,但是这个实验透露出一个重要观点,即:量子的反应速度远远超过光速。在爱因斯坦的相对论中,爱因斯坦的公式表明,物体速度超过光速时间就会倒流。小编不禁猜想,这是否预示着,掌握了量子的秘密,人类就可以掌控时间?

在一个升级版本的量子衍射双缝实验,可能可以侧面证明笔者的猜想:原本的双缝实验中,量子可以“感觉”到是否有人对某一个或者两个缝隙进行监测,当任何监测出现的时候,量子都会“提前感知”,并取消衍射现象。为了测验量子的“智商”,科学家们不再在缝隙处设立检测,而是在投射屏幕前设立一个监测仪,并且只有当粒子即将撞上投射屏幕的一瞬间才进行检测。让科学家们感到无比神奇的是,按照推理,粒子这次实验中将呈现出衍射现象,因为检测器是最后开启的,量子应当“没有办法提前感知、并且来不及反应”。但是实际情况是,量子们好似可以未卜先知,知道检测器即将开启,因此又一次神奇的取消了衍射现象,表现的如同提前预知到检测器即将开启一般。实际上,笔者认为,根据波粒二象性,量子即是波,又是粒子。当粒子被射出的那一刹那,粒子所产生的的“波”,你可以暂时把它理解成为一片虚无之海而漂流在上面的粒子就是虚无之海上随波逐流的一只“小黄鸭”。虽然小黄鸭无比渺小,但是它所在的虚无之海却可以以比光速更快的方式“感知”到前方尚未出现但是即将出现的屏障,因此改变自己的波动方式。甚至,往深处想,为何量子可以超越光速?是否是因为它可以折叠时间?而如果量子可以折叠时间,是否意味着量子其实是更高维度的产物?想象一下一张可以自动生成更新的Excel表格。当人类在表格A中输入数据的时候,表格B中可以出现和表格A中出现数字相对的数字。表格A和表格B都可以被理解为我们生活的三维维度,它们之间的连线可以看做是将三维维度折叠造成的一个玩具“虫洞”。





量子瞬移通过纠缠技术提取母本信息使其传输到另一端而不受距离和时间限制

三.量子计算机

除了以上应用外,量子力学基础上建立的量子计算机可以完成普通计算机1000年可能也完成不了的某些运算(注:之所以说是某些运算,是因为量子计算机的特性和普通计算机各有优势;量子计算机在计算某些运算时有特殊优势,但是可能在另一些方面的计算速度表现不如普通计算机)。在MIT研究量子计算机的赛斯罗伊德(Seth Lloyd)致力于将量子力学用于量子计算机的研究。量子计算机的基本计算单位为“Qubit”,一个Qubit既可以是1又可以是0,可以同时处于多种状态,可以同时处理多种信息。量子计算机的量子比特可以由任何量子组成,可以是电子或者任何原子构成。MIT的量子计算机核心的量子比特是由纳米技术支持的、可以双向运动的、多个超导电路组成的。关于量子计算机为何可以通过量子比特的多任务处理优势更加迅速的计算?想象一下你在一个巨大无比的迷宫中央,为了寻找出路,你需要一次一次不同尝试不同的路线,会遇到大量的死胡同,进入大量的错误路线—这就是普通计算机解决问题的模式。但是在同一个迷宫中,量子计算机却可以同时派出多个分身同时执行任务。普通计算机在遇到普通有限问题的时候,速度已经够快,但是当遇到接近无限的问题的时候,或者大量变量的时候,运转速度就会变得无比缓慢(比如预测飓风和地震)。运行这样一个问题,传统计算机需要无比庞大的身体,可能需要几间房子大小的计算机,但是如果使用量子计算机来解决,仅仅需要几百个原子即可,体积之小,甚至只需要一个苹果大小。目前MIT实验室中的量子计算机大小大约为一个多层结婚蛋糕大小,外部主要结构为一圈圈的金属线做成且排列十分稀疏。




MIT的量子计算机状如一个多层婚宴蛋糕

四. 量子通信

虽然物理瞬移的可靠性值得怀疑,但是毋庸置疑的是,无论被传输的是不是原始的物体版本,瞬移前后版本包含的物理信息也是完全一致的,因此可以说是实现通信的最佳手段。

目前,我国在量子通讯技术上的研究走在世界前沿。我国量子技术的历史从2000年开始进入迅速发展通道,这其中离不开一个人的身影:潘建伟。在他的带领下,我国首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输,16公里自由空间量子态隐形传输,八光子薛定谔猫态,实验实现了拓扑量子纠错,实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发,多自由度量子隐形传态,成功发射升空世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”并申请专利;2017年9月,中国量子保密通信骨干网络,也是世界首条远距离量子保密通信干线——“京沪干线”开通,同年,我国完成了10个超导量子比特的操纵,这比目前上了新闻头条的霍尼韦尔公司更为强大而且早了两年。




登上《科学》杂志封面的我国墨子号量子通讯卫星

前一段时间有人提出,是否应该在我国建造大型粒子对撞机。话题争辩的双方为杨振宁博士和东莞市的量子力学领军人物。杨振宁博士反对建造大型粒子对撞机,他的理由是高能物理学科研投入大,收获少,且“盛宴已过”,而东莞市量子力学领军人物则力挺量子力学,认为量子力学是未来最具有潜力和发展的学科。对此,笔者认为,其实研究量子有很多方式,不一定使用大型量子对撞机来实现。比如,量子力学最早进行的黑体实验,是一个存在于理论上的实验,而量子力学最早的双缝实验,成本也十分低廉,只需要激光即可,而上个世纪哥伦比亚博士生的实验,则同样具有高性价比,但是得出的结论依然对于量子力学具有深远意义。正因为量子力学是一门新兴学科,全世界的国家站在同一个起点上,所以我国才具有未来遥遥领先的优势。科学家们虽然认为目前的量子计算机和真正的量子计算机尚有所差别,但是量子力学的支持者们普遍认为量子计算机是后摩尔时代的解决方案。

人类究竟能不能掌握和利用量子的运行规则,好比几百年前掌握蒸汽和电力的人掀起的工业革命一样?如果可以,我希望华夏是这场革命的领导者。

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