轉變思維，打開量子的大門

近年來，一些大型IT與互聯網公司紛紛建立量子實驗室，如國外的IBM、Google、英特爾和微軟等；國內的阿里、騰訊和百度等。量子計算、量子密碼、量子衛星通信和量子信息等概念隨著一些科技報道逐步進入人們的視野。然而，帶有「抽象、理論和晦澀難懂」標籤的量子力學（或量子物理）阻止大家進一步探索和研究這些概念和技術的慾望。實際上，拋開晦澀的物理理論，我們只需轉變思維方式，便能打開神秘的量子大門，進入奇妙的量子世界……

本文盡量不使用或少使用公式，從「量子的定義」和「量子特性」和「量子比特」三個基本概念進行闡述和講解。建議閱讀時長4-6分鐘。

一、什麼是量子？

可以確定的是，量子 (Quantum) 屬於一個物理概念。再進一步，它屬於微觀世界的物理概念。這一點非常重要，它是其與宏觀世界的物理規律不同的重要原因。

所謂量子，可拆解為 「量」和「子」。從字面上理解，是指「可量化的微觀物理量」。而「量化」是什麼意思呢？它是指這個物理量的取值在統計上是離散的，而不是連續的。比較經典的一個例子是普朗克1900年發現的黑體輻射：黑體輻射發出的能量並不是連續的，其取值總是為某一個基本單位的整數倍，這個基本單位叫做量子。

需要說明的是，量子並不是指特定某一個物理量，而是指一類具有「可量化的」物理量。一些基本微觀粒子，如原子、電子、質子和光子等；或者微觀粒子的屬性，如能量，角動量等都統稱為量子。

應用在量子通信的「量子」通常是光子，也稱為光量子；應用在量子計算機的「量子」通常是原子或者光子。

二、量子特性

—微觀世界遵循的另一套規律

上面提到量子屬於微觀的物理量。舉一個直觀的例子，一個40瓦的白熾燈每秒鐘能釋放出萬億億顆光子，也就是1020。量子理論的研究對象正是這些微觀的粒子。這些微觀的對象（量子）與宏觀的對象相比，具有什麼不同的特性嗎？

我想有所了解的讀者們，知道答案是肯定的。不僅如此，還會給量子特性加上「玄學」和「不可思議」之類的標籤。之所以難以理解這些特性，是由於習慣了我們所處的宏觀世界的規律。然而，這些「玄乎」的基本特性給這個世界增加了更多的可能性，提供了更多的科學技術的發展方向，如量子通信和量子計算的快速發展。

這裡列舉四個量子的基本特性，我們需要做的是，轉變思維，進入微觀世界的規律：

(1) 量子測不準原理 (Uncertainty principle)

在宏觀的世界中，物質的速度和質量總是可以被測量的。然而，量子並不是這樣：微觀粒子的位置與動量不可能同時被確定（或測量），位置的不確定性越小，則動量的不確定性越大，反之亦然。

(2) 量子不可克隆原理 (No-cloning theorem)

在傳統的信息處理與通信過程中，比特信息很容易被複制，如計算機網路中第三方的竊聽過程。而在量子世界中，卻存在這樣的一個現實：一個未知的量子比特不能被完全地克隆到另一個量子上。

(3) 量子態糾纏性 (Entanglement)

兩個及以上的量子在特定的（溫度、磁場）環境下可以處於較穩定的量子糾纏狀態，基於這種糾纏，某個粒子的作用將會瞬時地影響另一個粒子。這種瞬間的作用不受時間限制，不受空間限制，愛因斯坦稱其為：「幽靈般的超距作用」。在宏觀的世界難以找出相似的例子。

(4) 量子態疊加性 (Superposition)

舉了一個經典的例子，在現實中，貓只有生和死兩種狀態。而在量子世界中，貓卻有介於生和死無數種疊加狀態，它既處於「生」和也處於「死」的狀態，只是概率不同而已。疊加態符合線性疊加定理，幅度的平方表示在這個狀態的概率。下圖表示貓處在「生」和「死」的概率各為50%的疊加狀態

三、量子比特

—可以存儲「無窮」的信息

將微觀粒子狀態表示的信息稱為量子信息。量子比特 (Quantum bit或Qubit) 是量子信息的載體，假設它有兩個可能的狀態，一般記為∣0〉和∣1〉。比如光子的偏振狀態，它有垂直方向的偏振狀態，也有水平方向的偏振狀態，如下圖所示。

∣0〉和∣1〉對應經典信息里的0和1。與經典信息不同的是，量子態具有疊加性，一個量子比特能夠處於既不是∣0〉又不是∣1〉的狀態上，而是處於∣0〉和∣1〉的一個線性組合的所謂中間狀態之上。

那麼可以作以下推理：一位的經典存儲器一次只能存一個數：要麼存 0，要麼存 1；而使用一位的量子存儲器呢？它可以同時存儲0和1兩種信息，或者說可以同時寫入兩個狀態信息，概率各為50%，這是由於量子態的疊加性決定的。兩位的經典存儲器一次也只能存一個數，只能這四個數其中之一：00，01，10 或 11；而使用四位的量子存儲器，它可以同時存儲以上的四個數。按此規律，理論上，N位量子存儲器與N位的經典存儲器分別最多能夠存儲2N個數和1個數。由此可見，量子存儲器的存儲能力是呈指數增長的，它比經典存儲器具有更強大的存儲數據的能力。尤其是當N很大時（如N = 250），量子存儲器能夠存儲的數據量比宇宙中所有原子的數目還要多[1]。

四、總結

轉變思維，接受微觀世界「玄乎」的基本規律：測不準、不可克隆、疊加性和糾纏性等等。有了這樣的認識後，你會驚奇地發現量子比特不是傳統的比特；量子存儲器不再是傳統的存儲器。此時，你已經打開了量子的大門。

事實上，量子科學與信息科學形成個非常大的交叉領域——量子信息學 (Quantum Information)。以上提到的量子比特、量子存儲器均是量子信息學的研究範疇。該領域還包含兩個主要分支：量子通信 (Quantum Teleportation) 和量子計算 (Quantum Computation)。欲知兩種量子信息技術之原理和發展趨勢，請聽下回分解。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！