數(shù)千年來，人類一直依靠天生的直覺來認(rèn)識自然界運行的原理。雖然這種方式讓我們在很多方面誤入歧途，譬如，曾一度堅信地球是平的。但從總體上來說，我們所得到的真理和知識，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大過謬誤。正是在這種雖緩慢、成效卻十分積極的積累過程中，人們逐漸摸索總結(jié)出了運動定律、熱力學(xué)原理等知識，自身所處的世界才變得不再那么神秘。于是，直覺的價值，更加得到肯定。但這一切，截止到量子力學(xué)的出現(xiàn)。
這是被愛因斯坦和玻爾用“上帝跟宇宙玩擲骰子”來形容的學(xué)科，也是研究“極度微觀領(lǐng)域物質(zhì)”的物理學(xué)分支，它帶來了許許多多令人震驚不已的結(jié)論——科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，電子的行為同時帶有波和粒子的雙重特征(波粒二象性)，但僅僅是加入了人類的觀察活動，就足以立刻改變它們的特性;此外還有相隔千里的粒子可以瞬間聯(lián)系(量子糾纏)：不確定的光子可以同時去向兩個方向(海森堡測不準(zhǔn)原理);更別提那只理論假設(shè)的貓既死了又活著(薛定諤的貓)……
量子理論的基本原理
經(jīng)過幾千年的爭論，我們現(xiàn)在終于知道了，物質(zhì)追根究底是由像電子、夸克這樣的微觀粒子組成的。這些小家伙像樂高積木一樣組合在一起，形成了原子和分子，而原子和分子又是拼成宏觀世界的“樂高積木”。
為了描述微觀世界是如何運作的，科學(xué)家發(fā)展出一套叫量子力學(xué)的理論。這個理論做出的預(yù)言雖然非常古怪(例如，粒子可以同時出現(xiàn)在兩個地方)，但它是目前物理學(xué)中最精確的理論，在過去近百年里經(jīng)受住了嚴(yán)格的檢驗。沒有量子理論，我們周圍的許多技術(shù)，包括電腦和智能手機里的芯片，都是不可想象的。
量子理論很古怪，但它的正確性不容懷疑?？茖W(xué)家們所爭論的，僅僅是如何解釋它。
“量子”到底是什么?
比如：把這罐辣醬放到廚房儲物柜里。”儲物柜是分層的。你可以選擇放在這一層或那一層，但你總不能把辣醬放在相鄰兩層之間，譬如2.5層吧。因為那是沒有意義的。
用物理學(xué)上的術(shù)語說，你家的儲物柜是“量子化”的，只能分成離散的一層，兩層，三層……不可能再細(xì)分為0.6層，1.5層，2.8層，3.45層……
在量子的世界里，任何東西也都是量子化的。舉例來說，原子中的電子只能呆在一些離散的能量層里(稱為能級)。跟你家廚房的儲物柜一樣，兩個相鄰的能級之間，是沒有它的立足之地的。
但是量子的行為十分詭異。假如你給待在較低層的電子一個能量，它就會跳到更高的層。這叫量子躍遷。不過，你給的能量必須合適才行，即剛好等于兩層之間的能量差，否則它會“耍脾氣”拒收。
設(shè)想你腳下有一個“量子足球”，在你10米之外有一些由近及遠(yuǎn)的溝，它們相當(dāng)于一條條能級。一般人會想，用的力太小，固然球飛不起來，但用的力很大，讓球飛起來總沒問題吧?但事實上不是。僅當(dāng)你踢“量子足球”的力不多不少剛好能讓它掉到這條那條溝里的時候，它才會呼嘯而起，否則任你怎么踢，它也會待在原地不動。很奇怪吧?
還有另外一個類比。假如你駕駛著一輛“量子汽車”，你只能以5千米/時、20千米/時或80千米/時的速度行駛，在它們之間的速度是不允許的。換擋的時候，你突然就從5千米/時跳到了20千米/時。速度的變化是瞬間發(fā)生的，你幾乎覺察不到加速的過程。這可以叫速度的“量子化”。
上述例子已經(jīng)讓你稍稍領(lǐng)略了量子世界的詭異。說實話，統(tǒng)治我們熟悉的“經(jīng)典”世界的規(guī)則在微觀世界基本上都失效了。只有少數(shù)幾個碩果僅存，像能量守恒、電荷守恒等等。
諸如以上，這些研究結(jié)果往往是顛覆性的，因為它們基本與人們習(xí)慣的邏輯思維相違背。以至于愛因斯坦不得不感嘆道：“量子力學(xué)越是取得成功，它自身就越顯得荒誕。”
到現(xiàn)在，與一個世紀(jì)之前人類剛剛涉足量子領(lǐng)域的時候相比，愛因斯坦的觀點似乎得到了更為廣泛的共鳴。量子力學(xué)越是在數(shù)理上不斷得到完美評分，就越顯得我們的本能直覺竟如此粗陋不堪。人們不得不承認(rèn)，雖然它依然看起來奇異而陌生，但量子力學(xué)在過去的一百年里，已經(jīng)為人類帶來了太多革命性的發(fā)明創(chuàng)造。
陌生的量子，不陌生的晶體管
美國《探索》雜志在線版給出的真實世界中量子力學(xué)的一大應(yīng)用，就是人們早已不陌生的晶體管。
1945年的秋天，美國軍方成功制造出世界上第一臺真空管計算機ENIAC。據(jù)當(dāng)時的記載，這臺龐然大物總重量超過30噸，占地面積接近一個小型住宅，總花費高達(dá)100萬美元。如此巨額的投入，注定了真空管這種能源和空間消耗大戶，在計算機的發(fā)展史中只能是一個過客。因為彼時，貝爾實驗室的科學(xué)家們已在加緊研制足以替代真空管的新發(fā)明——晶體管。
晶體管的優(yōu)勢在于它能夠同時扮演電子信號放大器和轉(zhuǎn)換器的角色。這幾乎是所有現(xiàn)代電子設(shè)備最基本的功能需求。但晶體管的出現(xiàn)，首先必須要感謝的就是量子力學(xué)。
正是在量子力學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域獲得的突破，斯坦福大學(xué)的研究者尤金·瓦格納及其學(xué)生弗里德里希·塞茨得以在1930年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的性質(zhì)——同時作為導(dǎo)體和絕緣體而存在。在晶體管上加電壓能實現(xiàn)門的功能，控制管中電流的導(dǎo)通或者截止，利用這個原理便能實現(xiàn)信息編碼，以至于編寫一種1和0的語言來操作它們。
此后的10年中，貝爾實驗室的科學(xué)家制作和改良了世界首枚晶體管。1954年，美國軍方成功制造出世界首臺晶體管計算機TRIDAC。與之前動輒樓房般臃腫的不靠譜的真空管計算機前輩們相比，TRIDAC只有3立方英尺大，功率不過100瓦。今天，英特爾和AMD的尖端芯片上，已經(jīng)能夠擺放數(shù)十億個微處理器。而這一切都必須歸功于量子力學(xué)。
量子干涉搞定能量回收
無論怎樣心懷尊敬，對于我們來說，都不太容易能把量子力學(xué)代表的理論和它帶來的成果聯(lián)系在一起，因為他們聽起來就是完全不相干的兩件事。而“能量回收”就是個例子。
每次駕車出行，人們都會不可避免地做一件負(fù)面的事情——浪費能量。因為在發(fā)動機點燃燃料以產(chǎn)生推動車身前進(jìn)的驅(qū)動力同時，相當(dāng)一部分能量以熱量的形式散失，或者直白地說，浪費在空氣當(dāng)中。對于這種情況，美國亞利桑那大學(xué)的研究人員試圖借助量子力學(xué)中的量子干涉原理來解決這一問題。
量子干涉描述了同一個量子系統(tǒng)若干個不同態(tài)疊加成一個純態(tài)的情況，這聽起來讓人完全不知所謂，但研究人員利用它研制了一種分子溫差電材料，能夠有效地將熱量轉(zhuǎn)化為電能。更重要的是，這種材料的厚度僅僅只有百萬分之一英尺，在其發(fā)揮功效時，不需要再額外安裝其他外部運動部件，也不會產(chǎn)生任何污染。研究團(tuán)隊表示，如果用這種材料將汽車的排氣系統(tǒng)包裹起來的話，車輛因此將獲得足以點亮200只100瓦燈泡的電能——盡管理論讓人茫然，但這數(shù)字可是清晰可見的。
該團(tuán)隊因此對新型材料的前途充滿信心，確定在其他存在熱量損失的領(lǐng)域，該材料同樣能夠發(fā)揮作用，將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，比如光伏太陽能板。而我們只需知道，這都是量子干涉“搞定”的。
不確定的量子，極其確定的時鐘
作為普通人，一般是不會介意自己的手表快了半分鐘，還是慢了十幾秒。但是，如果是像美國海軍氣象天文臺那樣為一個國家的時間負(fù)責(zé)，那么這半分半秒的誤差都是不被允許的。好在這些重要的組織單位都能夠依靠原子鐘來保持時間的精準(zhǔn)無誤。這些原子鐘比之前所有存在過的鐘表都要精確。其中最強悍的是一臺銫原子鐘，能夠在2000萬年之后，依然保持誤差不超過1秒。
看到這種精確的能讓人紊亂的鐘表后，你也許會疑惑難道真的有什么人或者什么場合會用到它們?答案是肯定的，確實有人需要。比如航天工程師在計算宇宙飛船的飛行軌跡時，必須清楚地了解目的地的位置。不管是恒星還是小行星，它們都時刻處在運動當(dāng)中。同時距離也是必須考慮的因素。一旦將來我們飛出了所在星系的范圍，留給誤差的邊際范圍將會越來越小。
那么，量子力學(xué)又與這些有什么關(guān)系呢?對于這些極度精準(zhǔn)的原子鐘來說，導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的最大敵人，是量子噪聲。它們能夠消減原子鐘測量原子振動的能力。現(xiàn)在，來自德國大學(xué)的兩位研究人員已經(jīng)開發(fā)出，通過調(diào)整銫原子的能量層級來抑制量子噪聲程度的方法。它們目前正在試圖將這一方法應(yīng)用到所有原子鐘上去。畢竟科技越發(fā)達(dá)，對準(zhǔn)時的要求就越高。
量子密碼，戰(zhàn)無不勝
斯巴達(dá)人一向以戰(zhàn)斗中的勇敢與兇猛聞名于世，但是人們并不能因此而輕視他們在謀略方面的才干。為了防止敵人事先得知自己的軍事行動，斯巴達(dá)人使用一種被稱作密碼棒的東西來為機密信息加密和解密。他們先將一張羊皮紙裹在一根柱狀物上，然后在上面書寫信息，最后再將羊皮紙取下。借助這種方式，斯巴達(dá)的軍官能夠發(fā)出一條敵人看起來語無倫次的命令。而己方人員只需再次將羊皮紙裹在同等尺寸的柱狀物上，就能夠閱讀真正的命令。
斯巴達(dá)人樸素的技巧，僅僅是密碼學(xué)漫長歷史的開端。如今，依靠微觀物質(zhì)一些奇異特性的量子密碼學(xué)，已經(jīng)公開宣稱自己無解。它是一種利用量子糾纏效應(yīng)、基于單光子偏振態(tài)的全新信息傳輸方式。其安全之處在于，每當(dāng)有人闖入傳輸網(wǎng)絡(luò)，光子束就會出現(xiàn)紊亂，每個結(jié)點的探測器就會指出錯誤等級的增加，從而發(fā)出受襲警報;發(fā)送與接收雙方也會隨機選取鍵值的子集進(jìn)行比較，全部匹配才認(rèn)為沒有人竊聽。換句話說，黑客無法闖入一個量子系統(tǒng)同時不留下干擾痕跡，因為僅僅嘗試解碼這一舉動，就會導(dǎo)致量子密碼系統(tǒng)改變自己的狀態(tài)。相應(yīng)的，即便有黑客成功攔截獲得了一組密碼信息的解碼鑰匙，那他在完成這一舉動的同一時刻，也導(dǎo)致了密鑰的變化。因而當(dāng)合法的信息接收者檢查鑰匙時，就會輕易發(fā)現(xiàn)端倪，進(jìn)而更換新的密鑰。
量子密碼的出現(xiàn)一直被視為“絕對安全”的回歸，不過，天下沒有不透風(fēng)的墻。擁有1000多年前那部維京時代海盜史的挪威人，已經(jīng)打破了量子密碼無解的神話。借助誤導(dǎo)讀取密碼信息的設(shè)備，他們在不嘗試解碼的條件下，就獲得了信息。但他們承認(rèn)，這只是利用了現(xiàn)存技術(shù)上的一個漏洞，在量子密碼術(shù)完善后即可趨避。
隨機數(shù)發(fā)生器：上帝的“量子骰子”
所謂的隨機數(shù)發(fā)生器，并不是老派肥皂劇中那些奇幻神秘的玩意。它們借助量子力學(xué)，能夠召喚出真正的隨機數(shù)。不過，科學(xué)家們?yōu)槭裁匆晦o勞苦地深入量子世界來尋找隨機數(shù)，而不是簡單輕松地拋下硬幣、擲個骰子?答案在于：真正的隨機性只存在于量子層級。實際上只要科學(xué)家們收集到關(guān)于擲骰子的足夠信息，那么他們便能夠提前對結(jié)果做出預(yù)測。這對于輪盤賭博、彩票甚至計算機得出的開獎結(jié)果等等，統(tǒng)統(tǒng)有效。
然而，在量子世界，所有的一切都是絕對無法預(yù)測的。馬克斯·普朗克大學(xué)光學(xué)物理研究所的研究人員正是借助這一不可預(yù)知性，制作出了“量子骰子”。他們先是通過在真空中制造波動來產(chǎn)生出量子噪聲，然后測量噪聲所產(chǎn)生的隨機層級，借此獲得可以用于信息加密、天氣預(yù)演等工作的真正隨機數(shù)字。值得一提的是，這種骰子被安裝在固態(tài)芯片上，能夠勝任多種不同的使用需求。
我們險些與激光失之交臂
與量子力學(xué)的經(jīng)歷相似，激光在早期曾經(jīng)也被認(rèn)為是“理論上的巨人，實際應(yīng)用上的侏儒”。但今天，無論是家用CD播放器，還是“導(dǎo)彈防御系統(tǒng)”，激光已經(jīng)在當(dāng)代人類的社會生活中，占據(jù)了核心地位。不過，如果不是量子力學(xué)，我們與激光的故事，很可能是以“擦身而過”而收場。
激光器的原理，是先沖擊圍繞原子旋轉(zhuǎn)的電子，令其在重回低能量級別時迸發(fā)出光子。這些光子隨后又會引發(fā)周圍的原子發(fā)生同樣的變化，即發(fā)射出光子。最終，在激光器的引導(dǎo)下，這些光子形成穩(wěn)定的集中束流，即我們所看到的激光。當(dāng)然，人們能夠知曉這些，離不開理論物理學(xué)家馬克斯·普朗克及其發(fā)現(xiàn)的量子力學(xué)原理。普朗克指出，原子的能量級別不是連續(xù)的，而是分散、不連貫的。當(dāng)原子發(fā)射出能量時，是以在離散值上被稱作量子的最小基本單位進(jìn)行的。激光器工作的原理，實際上就是激發(fā)一個特定量子散發(fā)能量。
專門挑戰(zhàn)極端的超精密溫度計
如果用普通的醫(yī)用溫度計，去測量比絕對零度低百分之一的溫度，這支溫度計的下場可想而知。那么如何去對付這樣的極端溫度呢?耶魯大學(xué)的研究人員發(fā)明了一支可以對付這些情況的神奇溫度計。它不僅能在極端環(huán)境中保持堅挺，更能夠提供無比精確的數(shù)值。
為制作這種溫度計，研究團(tuán)隊必須重新梳理溫度計的設(shè)計思路。比如獲得精確數(shù)值的方式。幸運的是，在追尋精確的過程中，科學(xué)家們借助量子隧道得到了自己想要的答案。就像鉆入山體內(nèi)部而不是在其表面爬上爬下，粒子在穿越勢壘的過程中，產(chǎn)生出了量子噪聲。使用研究團(tuán)隊的量子溫度計去測量這些噪聲，便能夠精確地得出實驗物體的溫度。
雖然這種溫度計對于普通人的日常生活并沒有太大的意義，但是在科學(xué)實驗室，尤其是那些需要極低溫度環(huán)境的材料實驗室它就可以大展身手了?，F(xiàn)在，研究者們還在努力通過各種手段提高該溫度計的精確性，并期望隨著它應(yīng)用范圍的拓展，更極端的科研環(huán)境都可以從中受益。
量子能量轉(zhuǎn)能加載駐波技術(shù)
量子能量轉(zhuǎn)能加載駐波技術(shù)。主要的原理是依托高科技量子能量艙。產(chǎn)品在進(jìn)入艙體后經(jīng)過“聲、光、電、磁”等物理介入方式，進(jìn)行能量植入。
根據(jù)產(chǎn)品屬性的不同，經(jīng)過精密的測算，對艙體進(jìn)行頻率和能量級別的調(diào)試，然后經(jīng)過48小時的量子能量轉(zhuǎn)載加載駐波植入，這一切的過程所涉及的范圍均在10的負(fù)8次方以下的微粒子領(lǐng)域。
并且，在物質(zhì)的分子層面進(jìn)行駐波植入，也不會改變物質(zhì)原有的分子結(jié)構(gòu)和屬性。量子植入后的產(chǎn)品在理論上無半衰期，目前實驗室中現(xiàn)有的量子產(chǎn)品已經(jīng)過了17年，依然保持著飽和的量子能量。
人人都愛的量子計算機
在1965年發(fā)表的一篇論文中，英特爾公司的聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾對計算機技術(shù)的未來發(fā)展，做了一些粗陋但卻意義深遠(yuǎn)的預(yù)測。其中最重要的一條便是日后著名的摩爾定律：每平方英尺集成電路上晶體管的數(shù)量，每18個月便會翻兩倍。這一定律對計算機技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，但是現(xiàn)在，摩爾定律似乎走到了盡頭，因為到2020年，硅芯片將會達(dá)到自身的物理極限，而隨著晶體管體積的不斷縮小，它們將開始遵循量子世界的各種規(guī)律。
和量子世界的規(guī)律“抱有敵意”相比，順應(yīng)量子時代或許才是人們最好的選擇。今天，那些從事量子計算機研究的科學(xué)家做的正是這件事情。相比傳統(tǒng)計算機，量子計算機具有無可比擬的巨大優(yōu)勢：并行處理。借助并行處理的能力，量子計算機能夠同時處理多重任務(wù)，而不是像傳統(tǒng)計算機那樣還要分出輕重緩急。量子計算機的這一特性，注定它在未來將以指數(shù)級的速度超越傳統(tǒng)計算機。
不過，在量子計算成為現(xiàn)實之前，科學(xué)家們還需要克服一些艱難挑戰(zhàn)。比如，量子計算機使用的是比傳統(tǒng)比特存儲能力高出許多的量子比特，但是不幸的是，量子比特非常難以創(chuàng)造出來，因為這需要多種粒子共同組成網(wǎng)絡(luò)。直到現(xiàn)在，科學(xué)家只能夠一次性將12種粒子纏連起來。而量子計算機若要實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，至少需要將這個數(shù)字增加數(shù)十倍甚至上百倍。
遠(yuǎn)距傳輸從科幻到現(xiàn)實
科幻片，尤其是太空題材的，最愛遠(yuǎn)距傳輸：偌大的一個人，在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間出現(xiàn)。
遠(yuǎn)距離傳輸就是量子態(tài)隱形傳輸，是在無比奇特的量子世界里，量子呈現(xiàn)的“糾纏”運動狀態(tài)。該狀態(tài)的光子如同有“心電感應(yīng)”，能使需要傳輸?shù)牧孔討B(tài)“超時空穿越”，在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間出現(xiàn)。在“超時空穿越”中它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息，而是量子態(tài)攜帶的量子信息，這些量子信息是未來量子通信網(wǎng)絡(luò)的組成要素。
此前，IBM團(tuán)隊的6名工程師證明，遠(yuǎn)距傳輸完全可以實現(xiàn)，至少從理論上來講是這樣。但必須注意的是，“原對象”在此過程中將消失——因為遠(yuǎn)距傳輸可不是“傳真機”，你原來那份“文件”是會被它銷毀的。其貌似“復(fù)制”原物體的過程，實際也是對原物體的一種改變。
2009年，美國馬里蘭州立大學(xué)聯(lián)合量子研究所的科學(xué)家進(jìn)行的“量子信息處理”的實驗中，成功地實現(xiàn)了從一個原子到1米外的一個容器里的另一個原子的量子隱形傳輸。盡管在實驗中是一個原子轉(zhuǎn)變成另一個原子，由第二個原子扮演起第一個原子的角色，與“原物傳送”的概念不同，但原子對原子的傳輸，卻對于研制超密超快的量子計算機和量子通信具有重大意義。
沒錯，遠(yuǎn)距傳輸并不僅在傳輸物體這一目標(biāo)上才有價值，在達(dá)到這一目的之前，通往“圣域”的各項研究也被證明在其他多重領(lǐng)域大有作為。而所有的量子力學(xué)研究，甚至人類所有的科學(xué)活動，亦同此理。
什么是真正的瞬時通信?
量子力學(xué)在過去的歲月里為人們帶來的成就彌足珍貴，但科學(xué)家們有理由相信，其在未來會奉獻(xiàn)的更多。
現(xiàn)在，當(dāng)你在手機、短信、郵件以及MSN、飛信等等諸如此類的通信工具之間徜徉時，可能以為自己已經(jīng)被所謂的“瞬時通信”覆蓋。實際上，你發(fā)出的聲音、文字、圖像都需要一點時間才能達(dá)到目的地，或長或短而已?，F(xiàn)在的人們?nèi)粘Ｋ苡玫降耐ㄐ欧绞?，所需時間都極其短，但在很遠(yuǎn)的未來，人和人之間的交流不會只限于大洲與大洲之間，而可能需要橫跨星系，這就使通信時間大大的增加——譬如說，在今年8月6日，“好奇”號火星車登陸火星，傳回的信號到達(dá)地球就有十幾分鐘的延遲。但這還只是在太陽系中地球和火星的距離，如果將距離延伸的更遠(yuǎn)，那么科學(xué)家們認(rèn)為，只有量子力學(xué)才有能力真正實現(xiàn)“即時”的通信，無論距離多遠(yuǎn)。
使瞬時通信成為現(xiàn)實的關(guān)鍵，在于被稱為量子糾纏的量子力學(xué)現(xiàn)象——愛因斯坦稱其為“幽靈般的遠(yuǎn)距作用”，指處于糾纏態(tài)的兩個粒子即使距離遙遠(yuǎn)，也保持著特別的關(guān)聯(lián)性，對一個粒子的操作會影響到另一個粒子。簡單來說就是，當(dāng)其中一個粒子被測量或者觀測到，另一個粒子也隨之在瞬間發(fā)生相應(yīng)的狀態(tài)改變。這種仿佛“心電感應(yīng)”般的一致行動，已超出了經(jīng)典物理學(xué)規(guī)則的解釋范疇，因此才被愛因斯坦視作鬼魅。但利用量子糾纏，我們可以操縱其中一個粒子引起對應(yīng)粒子的即時、相應(yīng)變化，從而完成收發(fā)“宇宙郵件”的動作。
