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中国科学家们对量子现象的精彩科学普及描述汇编（待修订）
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中国科学家们对量子现象的精彩科学普及描述汇编（待修订）
美国归侨冯向军博士，2017年10月14日写于美丽家乡
（1）
孙悟空有两个神奇的特点，一是会分身术，二是会驾筋斗云，小说里的“千里眼”和“顺风耳”本是神话元素，随着科技的进步一点点都变成了现实。（中国科学院院士潘建伟，“神话、哲学、互联网与人类未来”，2017年4月7日讲于中国金华市。）
（2）
“依照量子力学，孙悟空的分身术和筋斗云也可以实现。”“就像两个小朋友，一个在北京、一个在上海，他们相距这么远，却能在同一时间掷出同样的骰子。”（中国科学院院士潘建伟，“开学第一课”，讲于中国北京市中关村小学。）
（3）
“量子力学离不开意识，意识是量子力学的基础。”（中国科学院院士朱清时，量子意识？- 现代科学与佛学的汇合处）
（4）
“量子力学的基本原理就是微观粒子可能处在迭加态，这种状态是不确定的。例如电子可以同时处于两个不同地点”（中国科学院院士朱清时，量子意识？- 现代科学与佛学的汇合处）
（5）
“大量的实验证明：电子尽管是粒子，但是其运动像个波，而且每个电子必须同时出现在两个小孔，因为只有同时出现在两个小孔，它才能干涉。”“如果我们观察它，比如在两个狭缝处设置探测器，电子会怎么样呢？电子一被观测，就只出现在一个狭缝上了，干涉条纹立刻消失。这个状态就叫做波函数的坍缩。就是你一观察，电子就在一个确定的地方出现了。”（中国科学院院士朱清时，量子意识？- 现代科学与佛学的汇合处）
（6）
“量子力学大量实验证明，如果把同一个量子体系分开成几个部分，在未检测之前，你永远不知道这些部分的准确状态；如果你检测出其中之一的状态，在这瞬间其他部分立即调整自己的状态与之相应。这样的量子体系的状态叫做“纠缠态”。“纠缠的一个重要特点：纠缠一方得到的任何信息，另一方也会马上感到，不需要信息传递。”（中国科学院院士朱清时，量子意识？- 现代科学与佛学的汇合处）
（7）
“在量子力学中，物质是由测量而产生的，而起心动念的实质我们也可以把它叫做一种测量。起心动念的时候意识本身就不再自由了，它突然就坍缩到个具体的概念之上了。也就是说，整个世界也都这样，一旦有了意识，才可能有确定的状态出现。”（中国科学院院士朱清时，量子意识？- 现代科学与佛学的汇合处）
（8）
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”）。（中科大化学博士、副研袁岚峰，你完全可以理解量子信息，新浪科技《科学大家》）
（9）
叠加原理乍看起来完全和常识相反。假如用|0>代表你在北京喝茶，|1>代表你在巴黎喝茶，那么(|0> + |1>)/√2就意味着你同时在北京与巴黎喝茶！这种状态怎么可能存在呢？.... 但量子力学的一切实验结果都表明，叠加原理是正确的，是一条必不可少的基本原理，至少在微观世界中是如此。一个电子确实可以“同时位于两个地方”（这句话实际的意思，要到下一节讲“测量”时才能完全明白）。至于宏观世界里为什么没见过一个人同时位于两处，那是另一个深奥的问题，我们在本文中不做进一步的讨论。（中科大化学博士、副研袁岚峰，你完全可以理解量子信息，新浪科技《科学大家》）
（10）
事实上，一种常见的实现量子比特的方法，就是用光子的“偏振态”。光是一种电磁波，不断地产生电场和磁场。如果电场位于某个确定的方向，我们就说这个光子是偏振的。四个状态|0>、|1>、|+>和|->，分别对应光子的偏振处于0度、90度、45度和135度。（中科大化学博士、副研袁岚峰，你完全可以理解量子信息，新浪科技《科学大家》）
（11）
可是在量子力学中，测量跟其他过程有本质的区别，描述测量要用与众不同的物理规律！你不能随便看了，你看或不看某个体系，会造成很大的区别。（中科大化学博士、副研袁岚峰，你完全可以理解量子信息，新浪科技《科学大家》）
（12）
然而，如果待测量的态不是基组中的一个态，比如说在|0>和|1>的基组中测量a|0> + b|1>，其中a和b都不等于0，也就是说这个态既不是|0>也不是|1>，会怎么样？答案是：这个态会发生突变！也常有人把这个突变称为“塌缩”、“坍缩”或类似的词。这个突变是瞬间发生的，是一个真正意义上的突然变化。....测量中的突变，意味着我们对因果律的理解需要改变。....这种内在的随机性是量子力学的一种本质特征。在经典力学中，一切演化都是决定性的，同样的原因必然导致相同的结果，量子力学却不是这样。....但在量子力学中，测量结果的概率是由体系本身的状态决定的，不是由于外界的干扰，不是由于缺少任何信息，因此完全无法“改进”。（中科大化学博士、副研袁岚峰，你完全可以理解量子信息，新浪科技《科学大家》）
（13）
真正惊人的事情，发生在对|β00>做测量的时候。你对它测量粒子1的状态，会以一半的概率使整个体系变成|00>，此时两个粒子都处于自己的|0>；以一半的概率使整个体系变成|11>，此时两个粒子都处于自己的|1>。你无法预测单次测量的结果，但你可以确定，粒子1变成什么，粒子2也就同时变成了什么。两者总是同步变化的。好比成龙的电影《双龙会》中有心灵感应的双胞胎，一个做了某个动作，另一个无论相距多远都会做同样的动作。（中科大化学博士、副研袁岚峰，你完全可以理解量子信息，新浪科技《科学大家》）
（14）
这是个深邃的问题，量子力学的另一位奠基人玻尔为此跟爱因斯坦进行过激烈的辩论。玻尔的回答是：处于纠缠态的两个粒子是一个整体，绝不能把它们看作彼此独立无关的，无论它们相距有多远。当你对粒子1进行测量的时候，两者是同时发生变化的，并不是粒子1变了之后传一个信息给粒子2，粒子2再变化。所以这里没有发生信息的传递，并不违反相对论。（中科大化学博士、副研袁岚峰，你完全可以理解量子信息，新浪科技《科学大家》）
（15）
1964年，贝尔（John S. Bell）指出，可以设计一种现实可行的实验，把双方的矛盾明确表现出来。....从1980年代开始，阿斯佩克特（Alain Aspect）等一系列的研究组在越来越高的精度下做了实验，结果都是在很高的置信度下违反贝尔不等式，量子力学赢了。EPR的思想实验最初是用来批驳量子力学的，结果却证实了量子力学的正确！（中科大化学博士、副研袁岚峰，你完全可以理解量子信息，新浪科技《科学大家》）
（16）
在科幻电影中，经常有把人从一个地方瞬间传送到另一个地方的镜头。《星际迷航》最经典的台词就是：“把我传上去（Beam me up）！”这种传送术并不是完全的幻想，它的科学原理就是量子隐形传态。现在离传送人还很远，但已经能传送一个光子了，——这已经很了不起啦，不是吗？（中科大化学博士、副研袁岚峰，你完全可以理解量子信息，新浪科技《科学大家》）
（17）
这里涉及到一个有趣的要点。在宏观世界里复制一本未知的书或一个未知的电脑文件是很容易的，在量子力学中却不能复制一个粒子的未知状态（关键是“未知”，如果你知道这个状态是什么，当然可以制备许多跟它一样的）。也就是说，未知的经典比特可以复制，未知的量子比特却不能复制。这是量子与经典的一个本质区别，叫做“量子态不可克隆定理”。（中科大化学博士、副研袁岚峰，你完全可以理解量子信息，新浪科技《科学大家》）
（18）
因此，在经典计算机中有复制这个操作（我们整天用），在量子计算机中却没有复制操作（想想看，这是多么奇怪的计算机啊！）。在这个定理的限制下，量子隐形传态做到的，已经是对一个未知的量子态能做的最精妙的操作了：移动，而不是复制。所以在未来的量子计算机中，量子隐形传态是一个基本的元素，人们希望用它来传输量子比特。（中科大化学博士、副研袁岚峰，你完全可以理解量子信息，新浪科技《科学大家》）
（19）
在科学界的术语中，量子通信是一个广泛的研究领域，包括量子密码术、量子隐形传态和本文中没有介绍的“超密编码”等等。但由于量子密码术是唯一接近实用的，所以当媒体报道“量子通信”的时候，他们往往实际上指的就是量子密码术，即量子通信的一部分而非全部。（中科大化学博士、副研袁岚峰，你完全可以理解量子信息，新浪科技《科学大家》）
（20）
对称密码体制本身是安全的，但分发密钥的信使是大漏洞。非对称密码体制不需要信使，但你又会担心它被数学方法破解。两难。山重水复疑无路，柳暗花明又一村。当当当当当，英雄闪亮登场的时候到了！不错，我就是美貌与智慧并重，英雄与侠义的化身，……量子密码术！