转变思维，打开量子的大门

近年来，一些大型IT与互联网公司纷纷建立量子实验室，如国外的IBM、Google、英特尔和微软等；国内的阿里、腾讯和百度等。量子计算、量子密码、量子卫星通信和量子信息等概念随着一些科技报道逐步进入人们的视野。然而，带有“抽象、理论和晦涩难懂”标签的量子力学（或量子物理）阻止大家进一步探索和研究这些概念和技术的欲望。实际上，抛开晦涩的物理理论，我们只需转变思维方式，便能打开神秘的量子大门，进入奇妙的量子世界……

本文尽量不使用或少使用公式，从“量子的定义”和“量子特性”和“量子比特”三个基本概念进行阐述和讲解。建议阅读时长4-6分钟。

一、什么是量子？

可以确定的是，量子 (Quantum) 属于一个物理概念。再进一步，它属于微观世界的物理概念。这一点非常重要，它是其与宏观世界的物理规律不同的重要原因。

所谓量子，可拆解为 “量”和“子”。从字面上理解，是指“可量化的微观物理量”。而“量化”是什么意思呢？它是指这个物理量的取值在统计上是离散的，而不是连续的。比较经典的一个例子是普朗克1900年发现的黑体辐射：黑体辐射发出的能量并不是连续的，其取值总是为某一个基本单位的整数倍，这个基本单位叫做量子。

需要说明的是，量子并不是指特定某一个物理量，而是指一类具有“可量化的”物理量。一些基本微观粒子，如原子、电子、质子和光子等；或者微观粒子的属性，如能量，角动量等都统称为量子。

应用在量子通信的“量子”通常是光子，也称为光量子；应用在量子计算机的“量子”通常是原子或者光子。

二、量子特性

—微观世界遵循的另一套规律

上面提到量子属于微观的物理量。举一个直观的例子，一个40瓦的白炽灯每秒钟能释放出万亿亿颗光子，也就是1020。量子理论的研究对象正是这些微观的粒子。这些微观的对象（量子）与宏观的对象相比，具有什么不同的特性吗？

我想有所了解的读者们，知道答案是肯定的。不仅如此，还会给量子特性加上“玄学”和“不可思议”之类的标签。之所以难以理解这些特性，是由于习惯了我们所处的宏观世界的规律。然而，这些“玄乎”的基本特性给这个世界增加了更多的可能性，提供了更多的科学技术的发展方向，如量子通信和量子计算的快速发展。

这里列举四个量子的基本特性，我们需要做的是，转变思维，进入微观世界的规律：

(1) 量子测不准原理 (Uncertainty principle)

在宏观的世界中，物质的速度和质量总是可以被测量的。然而，量子并不是这样：微观粒子的位置与动量不可能同时被确定（或测量），位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。

(2) 量子不可克隆原理 (No-cloning theorem)

在传统的信息处理与通信过程中，比特信息很容易被复制，如计算机网络中第三方的窃听过程。而在量子世界中，却存在这样的一个现实：一个未知的量子比特不能被完全地克隆到另一个量子上。

(3) 量子态纠缠性 (Entanglement)

两个及以上的量子在特定的（温度、磁场）环境下可以处于较稳定的量子纠缠状态，基于这种纠缠，某个粒子的作用将会瞬时地影响另一个粒子。这种瞬间的作用不受时间限制，不受空间限制，爱因斯坦称其为：“幽灵般的超距作用”。在宏观的世界难以找出相似的例子。

(4) 量子态叠加性 (Superposition)

举了一个经典的例子，在现实中，猫只有生和死两种状态。而在量子世界中，猫却有介于生和死无数种叠加状态，它既处于“生”和也处于“死”的状态，只是概率不同而已。叠加态符合线性叠加定理，幅度的平方表示在这个状态的概率。下图表示猫处在“生”和“死”的概率各为50%的叠加状态

三、量子比特

—可以存储“无穷”的信息

将微观粒子状态表示的信息称为量子信息。量子比特 (Quantum bit或Qubit) 是量子信息的载体，假设它有两个可能的状态，一般记为∣0〉和∣1〉。比如光子的偏振状态，它有垂直方向的偏振状态，也有水平方向的偏振状态，如下图所示。

∣0〉和∣1〉对应经典信息里的0和1。与经典信息不同的是，量子态具有叠加性，一个量子比特能够处于既不是∣0〉又不是∣1〉的状态上，而是处于∣0〉和∣1〉的一个线性组合的所谓中间状态之上。

那么可以作以下推理：一位的经典存储器一次只能存一个数：要么存 0，要么存 1；而使用一位的量子存储器呢？它可以同时存储0和1两种信息，或者说可以同时写入两个状态信息，概率各为50%，这是由于量子态的叠加性决定的。两位的经典存储器一次也只能存一个数，只能这四个数其中之一：00，01，10 或 11；而使用四位的量子存储器，它可以同时存储以上的四个数。按此规律，理论上，N位量子存储器与N位的经典存储器分别最多能够存储2N个数和1个数。由此可见，量子存储器的存储能力是呈指数增长的，它比经典存储器具有更强大的存储数据的能力。尤其是当N很大时（如N = 250），量子存储器能够存储的数据量比宇宙中所有原子的数目还要多[1]。

四、总结

转变思维，接受微观世界“玄乎”的基本规律：测不准、不可克隆、叠加性和纠缠性等等。有了这样的认识后，你会惊奇地发现量子比特不是传统的比特；量子存储器不再是传统的存储器。此时，你已经打开了量子的大门。

事实上，量子科学与信息科学形成个非常大的交叉领域——量子信息学 (Quantum Information)。以上提到的量子比特、量子存储器均是量子信息学的研究范畴。该领域还包含两个主要分支：量子通信 (Quantum Teleportation) 和量子计算 (Quantum Computation)。欲知两种量子信息技术之原理和发展趋势，请听下回分解。

如果您想对量子信息报告有进一步的了解，欢迎查看原文。

参考文献：

[1] 郭光灿，张昊，王琴. 量子信息技术发展概况[J]. 南京邮电大学学报(自然科学版)， 2017， 37(3):1-14.

内容编辑：物联网安全实验室 陈磊 责任编辑：肖晴