漫话量子01 潘建伟教授给大家“漫话量子”
Source: Time:2021-03-21
Big Middle Small


WeChat Screenshot_20210322222311.png

非常高兴今天能够有机会给大家介绍我们的一些工作,我今天报告的题目就叫做“漫话量子”,在今年新年来临之际,我觉得我们有必要给公众介绍一下我们这一年来做的一点事情。今年的8月16日“墨子号”量子星在九泉卫星发射中心成功发射升空,这是当时发射时候的一个影像。


这是当时发射的时候,现在看起来很轻松,当时在发射前面30秒,其实我自己也是双掌合十,尽管没念阿弥陀佛,但是也是在说老天保佑,希望我们的卫星能够成功地送入太空。8月16日之后,可能大家没有特别注意,9月15日,在九泉卫星发射中心“天宫二号”又成功发射了,这是在发射的当时我们自己拍的视频。

“天宫二号”也搭载了我们空地量子密钥分配装置,大家看到月亮,我们拍下来的地球画面,看起来就像太空当中又多了一颗明月。大家可能会觉得比较奇怪,为什么我们在一个月里面连续发射了两个和量子相关的载荷火箭,发射之后又出现了一个什么样的情景?

我们当时就想看看有没有相关的报道,于是做了一个简单的收集,墨子号卫星发射之后,不仅受到了国内广泛的关注,还受到了国际上广泛的关注。比如说美国的《纽约时报》,英国的《新科学家》,英国的《BBC》,还有《金融时报》等等,基本上国际上比较有影响的媒体,都对我们中国成功发射的量子卫星做了一个报道。今年年底,英国的《自然杂志》点评2016年度国际的重大科学事件,量子星发射这一成果和今年引力波的发现等重大科技成果一起入选了。随后几乎同时,科学美国人也评选了2016年度的改变世界的十大技术。我仔细看了一下,只有量子星的技术是来自于美国本土之外的创新性的科技成果。

WeChat Screenshot_20210322222524.png

其实这个量子卫星的发射它是有一个标志性的意义,我稍后会讲到,我们一个梦想希望能够让我们中国重新回到科技创新一个国际的顶峰上面去。

我们当时选“墨子号”的原因,主要是因为墨子是我们历史上的第一位科圣。墨子他是生活在公元2400年前,他有些观点,其中之一就是“平等、博爱、反对战争”,所以他的一个观点是“兼爱、非攻”。当时非常有意思的,他在《墨经》里面专门提到了“端,体之无序而最前者也”,端是什么意思呢?就是小颗粒,这个小颗粒实际上是组成所有物质的最基本的单位,从这个含义上里讲,墨子是在国际上所有的科学家里面最早提出原子概念的雏形。

与他同期的希腊的科学家、哲学家德谟克利特也提出了相同的观点,另外他在《墨经》里面提到“止,以久也,无久之不止”,这句话什么意思呢?就是要让一个物体的运动能够停止,它是需要有阻力的。“无久之不止”,久就是力的意思。为什么一个一个物体会停下来呢?主要因为受到力的作用,如果说没有阻力的话,一个物体的运动是永远不会停止的。这就跟我们在高中学到的牛顿的惯性定律是完全一样的。

WeChat Image_20210322222634.jpg

当时与他同时期的一个非常有名的哲学家叫亚里士多德,他当时却说,如果一个物体没有力的作用的话它就会停下来。2000年之后,牛顿才提出惯性定律精确的表达形式,如果物体在没有受到外力的作用下,它是可以一直地运动下去的。墨子在2000多年之前,我们中国就已经有一位伟大的科学家了,在物理学方面提出了非常基本的概念。

我们经常有一种想法,中国人是不是不适合来做科学。我们当时取这个“墨子星”的原因就是想告诉大家,我们中国人不仅其他事情可以做得很好,我们的科学也可以做得很好。

另外,墨子还有一个很重要的工作,是跟我们“量子星”的工作是紧密联系在一起的。现在我们都知道光线是沿着直线传播,但是在古时候这个事情是非常不清楚的,怎么通过一个实验来证明光是沿着直线传播的呢?墨子在2000多年之前,他搞了一个小孔成像实验。他说站在门外面,挖一个小孔,里面有个墙,结果里面墙上的影子是倒过来的,我们就知道光只有沿着直线传播才会发生这种现象。如果光不是沿着直线传播的话,我们“墨子星”后面所讲到的很多事情都做不成,所以我们把这颗世界上的首颗“量子星”取名为“墨子号”,一方面是为了纪念它在我们中国科学方面所取得的一些重大的进步,同时也为了纪念它在我们光学方面取得的一些成就。

其实“量子星”有一个非常有意思的,代表性的意义。就正如今年年底,《华尔街日报》发表了一篇文章,它说在沉寂了1000年之后,中国发誓要回到发明创新之巅。这个时候我们觉得“墨子号”本身发射之后,确实在社会的反响上取得了一些良好的反响,这么一颗有影响的卫星它到底是什么东西呢?为什么会引起如此广泛的国际关注呢?我想在下面简要地介绍一下量子的基本概念。

WeChat Screenshot_20210322222801.png


其实量子非常简单,比如说我有一杯水,然后把水进行细分、细分之后,你用放大镜一看,最后是由一颗颗小颗粒组成的,我们就把它叫做水分子,那是水最小的颗粒了。又比如铁,你把铁切开,最后就变成一个个铁原子了。光也是这样,光从激光笔里射出,你把它细分之后,它也由很多小颗粒组成,比如一个15瓦的电灯泡,它大概每秒会发射出10的18次方的小颗粒,我们把这些小颗粒就叫做光子,所有的构成物质世界的最基本单元就叫做量子。

所以量子其实很简单,我们每天都大把大把的吃进量子,每天光照过来,好多光子打到你身上,那是无穷多的。对这些小颗粒它是也不能再分割了,不存在二分之一的水分子,二分之一的光子,二分之一的铁原子,因为它是构成物质的最基本的单元,这就是量子。

WeChat Image_20210322222846.jpg

量子它有一个非常奇怪的特征,我们在《西游记》里大家可能看到过,孙悟空的毫毛,一抓,一吹,孙悟空可以在不同的地方出现,实际上在量子世界也有这样的概念,但是我们日常生活中是从来没有遇到过的。

比如说,经典世界里面有一个人,他要么在这里,要么就在那里,也就是说我在上海就不可能在北京,我在北京就不可能在上海,所以在某一个时间里面我只能在某一个地方。量子世界非常有意思,在某些特定的情况下,如果说整个宇宙当中没有一个人,没有一台仪器知道你在哪里的时候,你就可以在所有的地方。这是什么意思呢?我在这里举一个简单的例子。

比如说我去出差了,从法兰克福飞回上海,路上因为我太累了,我在飞机上睡着了,我没在看我是(途经)哪个地方过来的。到了上海之后,我的同事陈宇翱到机场接我了,他说潘老师你这次是从哪边过来的?从法兰克福到上海有两条航线,途径莫斯科或新加坡。莫斯科已经下大雪了,新加坡是非常炎热的,所以我到了上海之后感到又冷又热。陈宇翱说你肯定是太累了发生错觉了,下次你坐飞机不要睡觉(看下到底从哪边过来的)。

我坐了一万次飞机,每次从法兰克福回来到上海,我总是睁大眼睛在看我是从哪条路上回来的,结果我在看的时候我发现,要么我是非常热,要么我就感到非常地寒冷,我总是从某一边过来的,这样看我很放心了,我以后坐飞机我又睡觉了,结果我每次到达上海之后醒来,感到又冷又热。当然大家说你这个东西都是胡说,因为我坐了好多次飞机,我也经常睡觉,但是我从来没有感觉到这样的现象。

(从量子物理的角度解释)主要是因为这样的,你睡觉了,你旁边的人是醒着的,你旁边的人睡觉了,飞行员还醒着,飞行员睡着了下面的雷达还在看,那么只有到什么情况下才有这感觉呢?就是我们在整个宇宙中没有任何一台仪器能够告诉你,你是在哪个地方的时候,就会发生这种现象。

这种东西在微观世界是经常会发生的,因为宏观世界里,你在动的时候,周围有好多东西在探测你的轨迹,但到微观是一个原子在动的时候,周围都是真空,就没有东西来测量你处于什么状态了,这个时候它就会出现在任何一个地方。这个分析在微观世界里面是成立的,在无数实验已经证实这个东西了。


WeChat Image_20210322223006.jpg

这里告诉我们一个道理,就是量子客体的状态是会被我们的测量影响的,也就是说你决定是不是睁开眼睛去看一下,就会影响飞机这么大一个客体,到底是同时处于两个地方,还是只在某个地方。也就是说你这轻轻的睁一下眼睛去看,这个世界就发生变化了。

如果你仔细地再去想一想,其实这个道理是很深刻的,因为在座的各位可能大多数在高中里面是学过牛顿力学的。有个定理F=MA,知道这个定理之后,粒子什么时候会运动到什么地方,什么时候会碰到什么地方,什么时候转回来都是可以算出来的,甚至连行星的轨道都是可以由我们凡人把它给计算出来的,所以牛顿力学告诉我们,一旦一个物体的初始状态确定了,根据牛顿力学,所有粒子的未来运动状态都是可以精确预言的。也就是说在座的各位,我们今天这里开会,我们什么时候死,谁会成为教授,谁会成为总统,其实不是跟我们个人奋斗相关联的,因为老天早就已经决定好了,这是牛顿力学告诉我们的结论。

WeChat Screenshot_20210322223116.png

牛顿力学一方面让我们非常有雄心,我们凡人都可以预言神圣的星星的轨道,但是又告诉我们,我们人是宿命的,奋斗是毫无意义的。但是量子力学却告诉我们,当你决定睁开眼睛看一看这个世界的时候,这个世界已经被你影响,发生了跟原来完全不同的变化了,从这个角度上讲,它的哲学是非常积极的。

量子力学还有一个非常积极的地方,是跟我们一个息息相关的目标联系在一起的。在这之前,我想进一步介绍一下它的另一个物理实现。

前面我只是讲了量子力学的基本原理,量子是最小的颗粒,如果你不再看它的时候,它可以在任何一个地方。在具体的实现上来讲,把这个小小的体系用到信息系统里面去的时候,就可以来考虑一个非常简单的问题。比如说一只猫,在日常的设备中,它能处在死和活两个状态,但是在量子世界里,它可以处于死和活两个状态的相干叠加,死和活这两个状态如果代表0和1,这两个死和活可以变来变去,就意味着信息的单元是可以处理,可以发生变化的。

到了量子世界里,因为它可以处于这种0和1状态的相关叠加,刚才的分析已经告诉我们了,因为量子叠加,如果你去看它一下这个状态有影响,所以这个状态是永远测不准的,测不准之后它就不能被精确地复制。

WeChat Image_20210322223213.jpg

当我们把这样一个单粒子的体系拓展到两粒子体系的时候,一种更奇怪的现象就发生了,我们把它叫做量子纠缠

一只猫可以处于死和活状态的相关叠加,如果有两只猫的话,是不是可以处于这样一种活活和死死状态的叠加呢?量子力学是允许的,这种状态是什么意思呢?

比如今年圣诞节,我给在座的各位一个礼物——纠缠骰子,你拿回家之后去扔这个骰子,扔好多遍,你会随机地得到一串结果。然后我打电话给你,我可以猜到你的第一次结果是什么,第二次结果是什么,第三次结果是什么,为什么呢?因为这两个骰子是纠缠在一起的,你扔出3的话,我这里也是3,你那里是2,我这里也是2。

一旦处于纠缠的两个客体,不管它们相距多么遥远,其中一个状态发生变化,另外一个状态也会发生相应的变化,我们把这种东西就叫做“遥远地点之间的诡异互动”。

一直以来,我们人类有一些特别感兴趣的问题,比如我们从哪里来,我们会到哪里去,有了量子力学基本的概念之后,我们对这个问题就能够做出回答,而这是牛顿力学所不能回答的。为什么牛顿晚年信仰宗教,因为他的理论能够解释轨道为什么这么转,周期是多少,但他解释不了为什么这个宇宙本来会动起来,为什么星星会开始运动起来,所以他假定上帝有一个推动,在他的理论里面时间是均匀流逝的,也就是无穷无尽的,一直会这样流逝下去。在他的理论里面空间也是无限大的,是均匀的。

但是到了量子力学之后,我们把量子力学和相对论结合在一起的时候,我们就可以来建立一种理论,叫大爆炸理论,这个大爆炸理论就告诉我们,在15亿年之前宇宙是诞生于一个基点的爆炸,那么这个爆炸怎么产生呢?

就是由于量子涨落产生的,大爆炸几分钟之后我们才会有氢、氘、氦元素的形成,因为原来的时候温度太高,所以只有质子、中子、光子、电子,温度是几亿度。30万年之后,我们才有原子形成,亿年之后才会形成恒星,其实这个宇宙经过相当于100亿年的怀孕之后,我们的太阳系才正式诞生了。太阳系形成之后,地球各种行星慢慢就形成了稳定的结构,然后经过几万年,多少亿年的进化,慢慢我们由普通的生物进化为现在的人。

引力波的预言证实之后,《纽约客》报道的文章说:其实“十几亿年前,两个黑洞发生了碰撞,释放出引力波。大概在五万年前,引力波到达了我们的银河系,这个时候我们的智人开始取代其近亲尼安德特人,成为地球上最主要的人猿。

100年前,爱因斯坦,灵长类物种中进化的最先进的人类的一员,预言了引力波的存在”。那么再经过100年,到2016年,我们终于探测到了引力波的存在。我想说,因为近代科学的发展,才能够让我们回答宇宙是怎么起源的,怎么演化这样的问题。

从这个地方我们可以看到一种现象,就是宇宙当中把这个生命给进化出来是需要非常长的时间,宇宙到底有多大呢?我们可以统计一下,在我们银河系里面有数千亿颗恒星,在我们的可见宇宙里面,又有数千亿个银河系,如果我们的生命在整个宇宙中是唯一的,因为这种进化出来的概率是非常小的,那么我们今天坐在一起交流思想是有一种很大的缘分。

有一个非常有名的科学家惠勒,2001年,我在普林斯顿参加他90岁的生日,他送了我一本书,在这本书里面他专门画了这个图。他说这个宇宙太奇怪了,宇宙本来是没有生命的,然后慢慢地进化出来一只眼睛就是我们人,可以回过来看看这个母亲到底是什么样的。这就是我们整个宇宙的一个进化史,非常有意思。



WeChat Image_20210323094321.jpg

但是到底为什么我们人会有意识,为什么会有这些东西?我们到目前为止其实还是不清楚的。我们还需要对这个东西做进一步的研究。正因为对量子力学这些非常基础的研究,我们能够来回答这个宇宙是怎么诞生的,怎么进化的,对这个看起来和跟我们的生活没有直接关系的东西进行研究,可以给我们的生活带来巨大的变化。

WeChat Screenshot_20210323094407.png

当你把这样一种量子两个状态编码信息的时候,一个新的学科就诞生了,叫做量子信息。它可以用来做安全的量子通信,可以来做超高速的量子计算与模拟,也可以来做高度精密的量子精密测量。这里面都是我们这个领域的相关的先驱。

其实第一个就非常有意思,利用单光子,因为不再可以分割了,我们也不能再进行测量,所以张三给李四发密钥,如果中间有个窃听者,因为他不能分割,他不能把信息拿走一半,他也不能拍个照,因为拍照对状态有影响。

以这样的方式,张三和李四之间就可以产生一种原理上无条件的安全通信方式,这种通信方式一旦有窃听就会被发现,而且以这样的形式产生的密钥是不可破解的,这是它的第一个比较有趣的应用。另外一个应用有点像《西游记》里孙悟空的筋斗云。比如说我要从北京来到上海,这里面因为时间的关系,我坐飞机过来肯定来不及了,但是按照这个量子力学的原理,如果说北京和上海之间有这么一团纠缠物质的话,我可以把我和这一团北京的纠缠物质做一个测量,测量完之后就变成一堆原始的物质了,比如说一堆水分子等等,这样我会得到一组数据,这些数据代表好多信息,我把这个信息通过无线电台发到上海,在上海的实验舱里对我进行操作,就可以把我在上海一模一样地重构出来,这个东西大家觉得这怎么可能呢?那不是复制了嘛。

但这不是一个复制品,因为我在上海做操作的时候,北京的潘建伟还原为原始物质,没有关于我的任何信息,所以能够逃脱量子力学不可测量定理的限制,在这边重新重构出来(我),重构出来这个潘建伟和这边这个潘建伟所有的信息和性质是一模一样的,至少目前看来量子力学的原理就是这样的。

但是这个东西要做成可能还需要很多年,几百年甚至更多年,但至少物理上允许这么做。当然量子还有一个非常美妙的地方,因为这边这个潘建伟不是我这边的一个复制品,因为如果说我能够复制两份的话,那我儿子就麻烦了,他不知道叫谁是爹了。他为了能够把这边传过去的前提就是这边的潘建伟要被摧毁,所以我们在宇宙当中是独一无二的。另外他还可以来做一些非常有趣的事情,比如超强能力的量子计算。前几天学术界有人已经报道了一些结果,目前已经有些系统里面能够对100个粒子左右进行相干操作了,如果说我们能够把这样一种计算能力利用起来,那么它相当于对2的100次方的数据进行计算。

我们现在把全世界所有的计算机、手机的计算能力加起来,这个计算能力是多少呢?大概是2的80次方。也就是我们在一个小小的实验室里面做出来的小小的机器,它的计算能力是我们100万个地球的计算能力都不能达到的。如果这种技术走向实用,它将是非常强大的,这种能力如果分给每个人的话,我们每个人计算能力上的财富,都是远远超过世界首富的。

这里,我愿意引用一下今年麻省理工学院的技术评论中的一段话,他说当量子计算机发展到50个量子位的时候,就能实现“量子称霸(quantum supremacy)”,计算能力超过世界上任何传统计算机,解决任何传统计算机解决不了的问题。尽管哪天发生我还不知道,应该不会太遥远。现在像Google、微软、IBM,包括我们中国在座的很多人,都在开展这方面的相关工作。


WeChat Image_20210323094603.jpg

它还有一个应用,可以用于我们的精密测量,因为我们的GPS导航,全球定位很多都需要用到这个。利用这种量子精密测量的手段,我们可以发展自主导航技术,目前在100天的情况下,已经能够把潜艇的误差缩小到几百米的范围了,这样我们就可以长期的潜伏,可以悄悄地开到美国的西海岸不被发现,当然主要是将来应用到汽车上。

我讲着讲着又回到原来的问题,就是我们的宇宙为什么会演化出这么个有生命的东西,回过来感受这个世界,我们必须得回答一个基本的问题,我们的意识是从哪里来的?

像今年有个很热的话题叫做人工智能,因为今年阿尔法狗打败了我们非常顶尖的围棋手,所以大家都感到非常恐慌,就也许机器某一天就很快地会战胜我们人类,但我说其实我们还不用担心,至少在量子计算机造出来之前我们不用担心,为什么呢?因为我们每天使用的经典计算机,它的运行的规则是跟牛顿力学是一样的,它是绝对论的,什么意思呢?就是你每当一个问题输进去的时候,它的答案肯定是一个确定的答案会出来的。

如果我是一台机器人,有人让我给他拿一杯水,如果离我同样距离有两个地方,有两杯水,这两杯水离我这个机器人的距离是一模一样的,而且我过去把它取到水所需要消耗的能量也是一样的,送到我主人的手里所需要的时间也是一样的,这个时候我这台计算机无论是多么强大的人工智能,它就死机了,因为它得选一个能量最节省的,它不知道该怎么办了。这个时候我们要在后面做一个控制,如果两个一样的话你拿左边就可以了,也就是说我们现在的人工智能都是有决定论的,它根本就没有自由意志,它根本就不会认识到自己的存在,它连一个非常简单的事情都决策不了。

这是经典的人工智能机器人,但是量子力学刚才已经告诉我们了,量子力学第一次把观测者的意识与物质的演化结合起来。所以我们是高度怀疑,或者说高度相信,尽管这个还没被科学最后证实。量子力学是必然参与这个意识的产生,而且我们每个人大脑里面想什么我现在是取不出来的,我也不知道你在想什么,这才保证了我们每个个体的多样性,如果我们跟手机一样,所有的信息都可以拷出来,那人就没什么意义了,因为你的思想是对每个人都透明的,如果完全可以拷出,我就可以复制成一个完全一模一样的想法,就可以复制成很多份了,但是量子力学告诉我们这是做不到的。

我们既然这么独一,所以我们相信量子力学跟我们意识肯定紧密相连,我们也相信通过对量子计算机的研制,可能为我们人脑一些机理的研究会提供有价值的东西。

WeChat Screenshot_20210323094715.png

我最后做一个结尾,我刚才讲到一些非常遥远的一些事情,比说大家会问,你到底什么时候能够拿来传递人类?

这里我愿意引用一下,1609年开普勒,那个时代非常伟大的科学家,给他的好朋友伽利略写的信里的内容,他说:“应该建造适合飞向神圣天空的船与帆,然后也会有这样的先驱者,面对无边的太空,他们毫不退缩”。1609年的时候大家都不会想到,1961年人类首次进入了太空,1969年人类首次登月,这个事情是多少年才发生的?要300多年之后。

所以我相信,第一个量子隐形传态的传态的实验是1997年,我们当时很有幸把这个实验给做了,十年之后,中国科大的团队能够首次传送两个粒子的状态,到2016年,随着墨子号的发射,我们的技术能力已经能够实现地星间的1000公里量子隐形传态。

我们要在宇宙当中进行探索的话,我们用目前的飞行手段,我们是永远都不可能离开太阳系的,因为我们快飞到太阳系的边缘我们就已经去世了。那么从这个角度上讲,我想也许300年之后,也许500年之后,我们能够用这些“墨子号”所带来的成果,也许我们将来能够利用这些手段来进行星际的旅行。

最后,我引用一下《新科学家》杂志的评论,他说你的量子大脑也许在未来的某某时刻,量子力学能够为我们解释意识的起源,做出贡献,谢谢大家!

WeChat Image_20210323094811.jpg

提交
上一篇:细菌也懂得利用量子力学吗?
下一篇:没有了