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你完全可以理解量子信息(2-3) 精选

已有 9769 次阅读 2017-12-27 14:05 |系统分类:科普集锦


导读

许多最基本的问题是量子力学回答的。例如:为什么原子中的电子不落到原子核上?为什么原子能形成分子?为什么有些物质能导电,有些物质不导电?现代社会的技术成就,几乎全都与量子力学有关。量子力学与信息科学的交叉学科——量子信息,把量子变成了舆论热词。



(上一篇见你完全可以理解量子信息(1) | 袁岚峰


二、无处不在的量子力学


量子力学和相对论是二十世纪的两大科学革命,对人类的世界观产生了强烈的震撼。但论公众中的知名度,量子力学似乎比相对论低得多。原因可能在于,相对论主要是由爱因斯坦一个人创立的,孤胆英雄的形象易于记忆和传播,而量子力学的主要贡献者有好几位,没有一个独一无二的代言人。爱因斯坦和相对论称得上妇孺皆知,而听说过量子力学中的“薛定谔的猫”、“海森堡测不准原理”这些词的人,已经算是科学发烧友了。


但是,大多数人不知道的是,论应用的范围和研究者的人数,量子力学远远超过相对论。也就是说,相对论是一个名气较大而用得较少的理论,量子力学是一个名气较小而用得较多的理论。为什么会这样?看看这两种理论发挥作用的条件,就明白了。


相对论在物体以接近光速运动时和强引力场条件下具有基础的重要性。可是日常生活中有多少机会遇到这些情况呢?大多数情况下,我们研究的对象还是在以低速运动,地球的引力场也不强。所以目前相对论的应用,局限在宇宙学、重元素的化学、原子钟、全球定位系统等少数领域。


而另外一边,描述微观世界必须用量子力学,宏观物质的性质又是由其微观结构决定的。因此,不仅研究原子、分子、激光这些微观对象时必须用量子力学,而且研究宏观物质的导电性、导热性、硬度、晶体结构、相变等性质时也必须用量子力学。


许多最基本的问题,是量子力学出现后才能回答的。例如:


为什么原子能保持稳定,例如氢原子中的电子不落到原子核上?(因为氢原子中电子的能量是量子化的,最低只能取-13.6 eV,如果落到原子核上就变成负无穷,低于这个值了。)

                       

原子模型


为什么原子能形成分子,例如两个氢原子H聚成一个氢气分子H2


为什么原子有不同的组合方式,例如碳原子能组合成石墨、金刚石、足球烯、碳纳米管、石墨烯?为什么食盐NaCl会形成离子晶体?


为什么有些物质很稳定,而有些物质容易发生化学反应?


为什么有些物质例如铜能导电,有些物质例如塑料不导电?为什么有些物质例如硅是半导体?为什么有些物质例如水银在低温下变成超导体?


为什么会有相变,例如水在0摄氏度以下结冰,0-100摄氏度之间是液体,100摄氏度以上气化?


为什么改变钢铁的组成,能制造出各种特种钢?


为什么激光器和发光二极管能够发光?


为什么化学家能合成比大自然原有物质种类多得多的新物质?


为什么通过观察宇宙中的光谱线能知道远处星球的元素组成?……


现代社会硕果累累的技术成就,几乎全都与量子力学有关。你打开一个电器,导电性是由量子力学解释的,电源、芯片、存储器、显示器的工作原理是基于量子力学的。走进一个房间,钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶的性质是由量子力学决定的。登上飞机、轮船、汽车,燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。研制新的化学工艺、新材料、新药,都离不开量子力学。


可以这么说:与其问量子力学能用来干什么,不如问它不能干什么!


以上是就应用的范围比较量子力学和相对论。另一个观察的角度,是研究和学习的人数。现在所有的物理专业学生和许多相关专业(尤其是化学)的学生,都要学习量子力学,而学习广义相对论的只有理论物理、天文学等专业的学生(学习狭义相对论的学生还是很多的)。


量子力学的研究活跃度也大大高于相对论。在媒体报道中你会发现,量子领域日新月异,相对论领域的大新闻却是验证爱因斯坦100年前预测的引力波!


双黑洞合并产生引力波


三、方兴未艾的量子信息


既然量子力学出现已经超过了一个世纪,为什么最近在媒体上变得如此火热?回答是:量子力学与信息科学的交叉学科——量子信息


这两门学科为什么可以交叉起来?因为对于信息科学来说,量子力学是一种可资利用的数学框架。量子信息的目的,就是利用量子力学的特性,实现经典信息科学中实现不了的功能,例如永远不会被破解的保密方法(就是后面要解释的“量子密码术”)、科幻电影中的“传送术”(是的,传送术原则上是可以实现的,它的专业名称叫做“量子隐形传态”)。


正如经典的信息科学包括通信和计算两大主题,量子信息的研究内容也可以分成两大块:量子通信和量子计算。


量子信息学科内容


量子信息的大发展,把量子变成了舆论热词。在科学界内部其实很少用“量子科技”这个说法,因为如前所述,现代社会的所有技术成果都离不开量子力学,哪里有不“量子”的科技呢?科学家们更喜欢用有明确定义的“量子力学”和“量子信息”等词汇。你在媒体上看到“量子科技”的时候,指的往往就是量子信息。


(未完待续)




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