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丁洪说

2020-05-09 00:15

量子物理看似高冷,却早已走进我们的生活,像手机、计算机、led等都用到了量子物理相关技术。“原子、光子、电子都是量子。”丁洪说,量子是构成物质的基本单元,是能量的最基本携带者。量子叠加和量子纠缠是量子物理区别于经典物理的地方。

中国科学院郭光灿院士曾这样解释量子计算机的计算能力。他说,量子比特可以制备两个逻辑态0和1的相干叠加态,换句话讲,它可以同时存储0和1。考虑一个n个物理比特的存储器,若它是经典存储器,则它只能存储2n个可能数据当中的某一个;若它是量子存储器,则它可同时存储2n个数据。而且随着n的增加,其存储信息的能力将呈指数级上升。

量子纠缠则更为玄妙。两个纠缠的粒子,不管距离多远,对其中一个粒子进行观测就会即时影响到其它粒子。“量子纠缠就像在量子世界打了一个虫洞。”说到如何理解量子纠缠,丁洪用电影《星际穿越》中的虫洞打了个比方。

同样,电子自旋也有叠加态。电子的自旋,方向可能是向上,也可能是向下。它的叠加态就是一半向上一半向下,是不确定的。

关于指数级增长的威力,丁洪讲了一个故事。在古代印度,一位老人带着他发明的国际象棋去见国王。国王非常高兴,决定赏赐他东西。老人却表示,国王无法满足自己的要求。老人的愿望是什么?

为了开发量子计算机强大的并行计算能力,上世纪90年代科学家们提出了无序数据库搜索和大数因子分解两种算法。

量子计算机的出现,巧妙地解决了计算机发展的瓶颈问题。丁洪说,从原理来看,量子计算机是可逆计算机,不会丢失信息。经典计算机则是不可逆计算机,不可逆计算过程中每个比特的操作都会有热损耗。

什么是量子叠加?丁洪举了个例子,在经典物理中,从宏观角度来看,任何物质的“态”都是确定的。比如,将一本书放在桌子上,不是正面就是反面。在量子世界中,书却可以是正面的也可以是反面的,成为一个不确定的叠加态。

计算机发展的瓶颈主要有两个。首先,随着晶体管体积不断缩小,计算机可容纳的元器件数量越来越多,产生的热量也随之增多。其次,随着元器件体积变小,电子会穿过元器件,发生量子隧穿效应,这导致了经典计算机的比特开始变得不稳定。

“但量子计算机不会取代经典计算机。”丁洪说,两者的应用对象不同,互为补充,它们的关系就像白炽灯和激光一样。白炽灯和激光都能发光,具有相关性,但我们并不用激光替代白炽灯去照明,量子计算机也是如此的。

那么问题来了,如果电子处于叠加态,猫是死是活?答案是:猫一半是活的,一半是死的。

什么是隧穿效应?丁洪打了一个比方。“就像穿墙术一样。在宏观世界,跳高运动员如遇到障碍,可以自己跳过去。但在量子世界,不需要这么高超的技巧。遇到障碍,可以穿过去。只不过,物质本身要足够小,障碍要足够薄。”他说。

过去,人们一直没发现其中的问题,直到提出“薛定谔的猫”这一实验。薛定谔提出设计一个实验,在笼子里放一只猫,里面放置一个毒气瓶。装置里有一个开关,用电子的自旋状态去控制。如果它自旋向上就会将开关打开,放出毒气毒死猫;如果自旋向下,猫就是安全的。

在棋盘的第一格上放1粒小麦,第二格上放2粒小麦,第三格上放4粒,第四格上放8粒……一直到第六十四格为止。结果却发现,这是个天文数字。