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导读

有典故,有历史,有文学,有感悟,有“爱情”,有“别离”,有战略,有调侃……相信这本兼具广度和深度的图书对我国的量子信息科普以至整个前沿科技普及事业都将发挥划时代的作用。

宝妈做兼职-张诗佳

作者:袁岚峰

出版社:中国科学技术大学出版社

内容简介

本书从普通读者的视角出发,先介绍量子是什么以及较为容易理解的量子精密测量,然后讲述量子力学的“三大奥义”,再介绍量子计算和量子通信,不仅保持了科学的严谨性,而且实现了很高的趣味性,让读者了解量子信息的大图景。针对公众对量子信息的常见误解或者质疑,给出明确的答复,帮助公众跳出“伪科学”和无底线商业宣传陷阱。有典故,有历史,有文学,有感悟,有“爱情”,有“别离”,有战略,有调侃……相信这本兼具广度和深度的图书对我国的量子信息科普以至整个前沿科技普及事业都将发挥划时代的作用。

作者简介

作者简介

INTRODUCE

袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员,中国科学技术大学科技传播系副主任,中国科学院科学传播研究中心副主任,科技与战略风云学会会长,“科技袁人”节目主讲人,入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物,微博@中科大胡不归。

他是拥有近千万粉丝的科普达人/“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物/《科技袁人》主讲人/抖音、哔哩哔哩、微博、知乎等平台大V,他的讲座一票难求,他的科普视频播放量已达数亿次!

专家推荐

朱清时

中国科学院院士,中国科学技术大学原校长、南方科技大学创校校长

当今时代的一大趣事是:许多人都对量子信息有浓厚兴趣,但是很少人知道它究竟是什么。袁岚峰博士写的这本书能帮助大家解决这个问题。

周忠和

中国科学院院士,中国科普作家协会理事长

这是一本我见过的有关量子信息最好、最通俗易懂的科普书,适合每一位关注科技前沿的读者。

窦贤康

中国科学院院士,武汉大学校长

量子科技已经在很多行业导致了革命,例如在大气要素探测中,我们团队和潘建伟院士、张强教授等人合作研发的量子大气探测激光雷达大大提高了探测距离和精度。公众对量子科技充满好奇,但难以找到准确又易懂的解读。本书及时地满足了这个需求,既让普通读者能够理解,又保持了专业级别的准确性。我十分高兴地向大家推荐此书,对新量子革命感兴趣的读者都会从中大有收获。

杨金龙

中国科学院院士,中国科学技术大学副校长

袁岚峰博士用通俗、接地气的语言将原本深奥的量子信息知识阐述得清晰明了、简单易懂;将原本枯燥的知识以诙谐幽默的语言诠释,呈现出相当的趣味性又不失专业的精准。相信读完此书,你也能对量子信息有一个清晰的认知。

杜江峰

中国科学院院士,中国科学技术大学副校长

量子力学是对大自然尤其是微观世界的本质描述,是当今物理学的两大支柱之一。近四十年来,量子力学与信息科学结合,产生了量子信息,成为现代科学中发展极其活跃的领域之一。包括我们的团队在内,许多研究组在量子精密测量、量子通信、量子计算方面取得了很多突破,极大地拓展了人类的知识边界和技术边界。然而,在这个领域一直缺少一本深入浅出、能够让所有感兴趣的读者读懂的科普著作,这对科学的发展和公众科学素质的提高都是缺憾。所以我非常高兴地向大家推荐袁岚峰博士的这本《量子信息简话》,这正是我们急需的科普。

内容节选

1.4

量子力学能用来干什么?更该问的是它不能干什么!

在知道了量子力学这个学科后,许多人就会来问:它能用来干什么?

实际上,这个问题问偏了。真正有意义的问题是:量子力学不能用来干什么?因为量子力学能干的实在是太多了,几乎找不到跟它没关系的地方!

如果你问:相对论能用来干什么?倒是能给出一些具体的回答。

例如在宇宙学中,大爆炸、黑洞等现象离不开广义相对论。太阳对光线的偏折、水星近日点进动(图1.13),都是广义相对论的经典例证。

图1.13 水星近日点进动

又如在重元素的化学中,当原子核的电荷数很大时,内层电子的速度会接近光速,产生显著的相对论效应,由此导致“镧系收缩”(lanthanide contraction)等现象。

又如对于北斗和GPS等卫星导航系统,既有广义相对论的效应,又有狭义相对论的效应。天上的引力比地面的弱,由此导致天上的时间流逝得快一点,这是广义相对论的效应。同时卫星相对于地面高速运动,由此导致卫星的时间流逝得慢一些,这是狭义相对论的效应。这两个效应方向相反,具体哪个效应大取决于卫星的高度。卫星导航系统一定要对这两个相对论效应进行修正,否则定位就会有很大误差。

相对论在日常生活中的应用也许还能列出一些,但整体上实在是不多,因为我们平时很少遇到接近光速的运动和强引力场的条件。实际上,广义相对论的研究者在所有物理学家中只占一小部分,甚至学过广义相对论的学生在物理专业中也只占一小部分。而相比之下,学过量子力学的人就太多了,所有物理专业和化学专业的学生都要学。

量子力学的研究活跃度也大大高于相对论。在媒体报道中你会发现,量子领域日新月异,而相对论领域的大新闻却是发现一种爱因斯坦一百年前预言的现象——引力波(图1.14)。

图1.14 两个黑洞合并放出引力波

为什么量子力学无所不在?基本的道理在于,描述微观世界必须用量子力学,而宏观物质的性质又是由其微观结构决定的。因此,不仅研究原子、分子、激光这些微观对象时必须用到量子力学,而且研究宏观物质的导电性、导热性、硬度、晶体结构、相变等性质时也必须用到量子力学。

许多最基本的问题,是量子力学出现后才能回答的。例如:

1

原子的稳定性

为什么原子能保持稳定?也就是说,为什么原子中的电子不会落到原子核上(图1.15)?这在刚发现原子结构的时候是一个严重的问题,因为电子带负电,原子核带正电,按照经典理论,电子一定会落到原子核上,原子也就崩塌了。为什么这没有发生呢?

回答是:因为原子中电子的能量是量子化的,有个最低值。如果电子落到原子核上,能量就变成负无穷,低于这个值了,所以它不能掉下去。

图1.15 原子模型

2

化学的基本原理

为什么原子会结合成分子?例如两个氢原子H结合成一个氢分子H2。回答是:因为分子的能量也是量子化的。如果分子的最低能量低于各个原子的最低能量之和,例如氢分子的能量低于两个氢原子的能量,那么这些原子形成分子时就会放出能量,形成分子就是有利的。事实上,根据量子力学原理,我们已经能够精确计算很多分子的能量了。

3

物质的硬度

为什么物质会有硬度?比如说一块木头或一块铁是硬的。这个问题实际上就是,为什么会存在固体?在微观上也就是说,为什么原子靠得太近时会互相排斥,而不会摞到一块去?

回答是:因为有一条基本原理叫作泡利不相容原理(Pauli exclusion principle),说的是两个费米子(fermion)不能处于同一个状态。费米子是一类粒子的统称,电子就属于费米子。这条原理决定了,当两个原子靠得太近时,就会产生一种强烈的排斥,阻止两个电子落到相同的状态(图1.16)。

图1.16 泡利不相容原理

4

导电性

为什么有些物质能导电,例如铜和铝?为什么有些物质不导电,例如木头和塑料?为什么又有些物质是半导体,例如硅和锗?为什么还有些物质是超导体,例如低温(低于4.2 K)下的水银?

这些关于导电性的问题,在量子力学出现之前是无法回答的。大家可以回忆一下,在中小学是如何解释导电性的。那时最好的解释是所谓自由电子的理论:有些物质导电是因为其中的电子是自由的,而另一些物质不导电是因为其中的电子不是自由的。但请仔细想想,这真的解释了任何事情吗?其实并没有,它只是循环论证而已,因为它不能预测。如果你追根究底地问:为什么铜和铝中的电子就是自由的,木头和塑料中的电子就是不自由的呢?这就完全说不清了。

真正的改变发生在量子力学出现以后。人们发展出了一套理论,可以明确地解释和预测哪些物质会导电,哪些物质不导电。它叫作“能带理论”(energy band theory)。

根据能带理论,大量能量十分接近的能级组成一条条能带(图1.17)。如果电子部分占据一条能带,最上面的电子只需极少的能量就能跳到上面的能级,这种体系就是导体(conductor),例如铜和铝。如果电子完全占满了一个能带,而跟下一个能带之间有一个显著的能量间隙,最上面的电子需要很多能量才能跳到上面的能级,这种材料就是绝缘体(insulator),例如木头和塑料。

图1.17 导体、绝缘体和半导体的能带

能带理论不但能解释导体和绝缘体,还能指导我们制造和操纵新的材料,例如半导体(semiconductor)和超导体(superconductor)。如大家所知,半导体是整个芯片(chip)技术的基础。在这些意义上,所有的电器都用到了量子力学。只要你在用电,你就在用量子力学了!因此,要找一个没有用到量子力学的现代技术,几乎不可能。

量子力学不但能用来解释自然界已有的现象,还能用来创造自然界没有的现象。例如,激光器(图1.18)和发光二极管都是根据量子力学的原理设计出来的。

图1.18 高功率激光

所以我们可以明白,现代社会几乎所有的技术成就都离不开量子力学。你打开一个电器,导电性是由量子力学解释的,电源、芯片、存储器、显示器等器件的工作原理都来自量子力学。你走进一个房间,钢铁、水泥、玻璃、塑料、纤维、橡胶等材料的性质都是基于量子力学的。你登上飞机、汽车、轮船,发动机中燃料的燃烧过程是由量子力学决定的。你研制新的化学工艺、新材料、新药等,都离不开量子力学。

1.5

量子力学 + 信息科学 量子信息

当你对量子力学有所了解之后,下一个问题就是:既然量子力学完全不是一个新学科,出现已经超过一个世纪,为什么最近却又变得如此火热?

回答是:20世纪80年代以来,量子力学与信息科学交叉,产生了一门新的学科——量子信息(quantum information)。许多物理学家把量子信息的兴起称为“第二次量子革命”,跟量子力学创立时的“第一次量子革命”相对应。

为什么会有第二次量子革命?归根结底,是因为我们对单个量子操纵能力的进步。

在量子力学发展的早期,我们观测和控制的都是大量粒子的集体,而不能操控单个粒子。当时甚至还有很多物理学家认为这是量子力学的本质特征。但现在我们知道,这种观点是错误的。

例如传统的光电探测器,需要接收大约十亿个光子才能形成一个像素点。而2018年以来,潘建伟院士、徐飞虎教授的团队发展了一个高精尖的单光子相机系统(图1.19),只需一个光子就可以成像。

图1.19 单光子相机系统

这个10亿倍的进步,使他们能做到很多以前做不到的事。例如,他们在雾霾天,对8.2千米外一个人的模型进行姿态识别,清晰地看到这个模型把手举起来了(图1.20)。他们在45千米外对浦东民航大厦进行拍摄,也得到了清晰的图像(图1.21)。因此,他们把这项技术称为“雾里看花”。

图1.20 8.2千米外识别人的姿态

图1.21 45千米外对浦东民航大厦的拍摄

因此,是量子信息的大发展,把量子变成了舆论热词。新闻中报道的量子科技,绝大多数时候指的就是量子信息。这是一个蓬勃发展的研究领域,是学术界的主流而不是偏门,全世界有大量的科研人员投身于此。普遍认为,量子信息跟可控核聚变、人工智能并列,属于颠覆性的战略科技。

量子信息包括哪些内容呢?可以先来看看我们平时用到什么信息技术。我们最常用的是手机,这是用来通信的;以及计算机,这是用来计算的。还有钟表、尺子、温度计等也可以算作信息技术,它们是用来测量的。相应地,量子信息也分为三个领域(图1.22):量子通信(quantum communication)、量子计算(quantum computing)与量子精密测量(quantum precision measurement 或 quantum metrology)。在每个领域内部,各自有若干种具体的技术。它们的目标都是利用量子力学的特性来超越传统的信息技术。

图1.22 量子信息的三个分支

在量子信息的三个分支中,量子精密测量是相对容易理解的。例如,刚才说的“雾里看花”就是典型的量子精密测量技术。所以下一章我们来集中叙述几种量子精密测量技术。

而要理解量子通信和量子计算,难度就呼呼地上去了。因为它们的原理用到量子力学许多深入的特性,不是“操控单个量子”这么一句话就够的。也正因为如此,它们能够实现很多不可思议的功能。

一个非常有戏剧性的例子,是科幻电影中的“传送术”(图1.23)。是的,传送术在原理上是可以实现的!它的专业名称叫作“量子隐形传态”(quantum teleportation)。

图1.23 电影《星际迷航》中的传送术

因此,在介绍完量子精密测量之后,我会向大家讲解量子力学的原理,一步一步地引导大家游览量子信息的花园。

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