导读
量子力学其实是一个最最精确的理论，是我们有史以来最精确的那些测量结果，都是量子力学搞出来的，所以量子力学一点都不可怕。西瓜视频：
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本视频发布于2021年9月17日，观看量已达4.7万
【9月11日19:00，我在今日头条 / 西瓜视频 / 抖音进行多平台直播，聊了聊量子科技现在与未来。我们把直播的精彩片段剪辑成视频，共两集，这是第一集。】
今天我们讲的主题是量子信息原理与技术，这个是我讲过次数最多的一个硬的科技领域。
大家都知道近年来量子信息成了一个非常非常热的词，比如说2016年的8月16日，中国发射了世界上第一颗量子科学的实验卫星“墨子号”，这个是造成了巨大的公众的轰动。然后到第二年，2017年的9月29号，我们开通了世界上第一条量子保密通讯的干线，叫做京沪干线，然后呢，去年底，就是2020年10月16日，量子信息又火了一把，是因为中央政治局集体学习量子科技，让全国人民都知道有这回事了，然后在去年的12月份，“九章”光量子计算机在全世界刷屏，大家都知道我们做出了一个非常重要的光量子计算机。
那么在量子信息如此火爆的情况下，然后就有很多人，他产生了种种的，过于这个夸张的幻想，比如说以为这个量子通信是一种超光速的通信，以为它是种空间跳跃，然后对量子计算机，就以为它是无所不能的。然后还出来另外一个方向的想法，就是有很多商家，抓住这个商机，推广各种各样的所谓量子保健品，比方说就有记者来问过我，各种各样稀奇古怪的，什么量子能量舱、量子美容喷雾、量子美容品，他问我这些东西是真的吗？我回答是全都是假的，那全都是骗人的，然后呢，由于这些忽悠东西太多，就会有人产生另外一个方向的思考，就有人认为那是不是整个量子科学都是伪科学，都是假的，然后他们就认为潘建伟这些人都是骗子，那么到底该怎么来认识这些现象呢，今天我们就来好好讲讲真正的量子科学是什么。比如说你看到反对量子信息的（文章），就会有这样的，上面第一个，是一个你经常看到很神奇的文章题目，说《我们的认知再度崩塌了，我们认识的世界可能根本不存在》。这个号称是著名的生物学家施一公院士说，实际上这是造谣，施一公从来没有说过这个，这是他们的移花接木，把施一公的话跟其他一些他们自己编造的话连在一块，施一公早就辟过谣了。
然后像下面这个所谓《扫谎打非，敦促潘建伟院士走出迷途》，这是一个号称是北京大学物理学院退休教师王国文写的，这个王国文，是好几年如一日地，在猛批潘建伟，在他眼里潘建伟做的东西全是伪科学，然后这些人在公众舆论上也引起了很大的混乱。然后今年 CCTV焦点访谈记者也曾经来问过我，说他们收集了一大堆市面上的各种所谓的量子保健品，叫什么量子美容喷雾，各种各样的什么量子美容仓，问我这些东西是假的，我说全是假的，量子根本不是用来做这种民用科技的，那么真正的量子科技是什么样的？我可以告诉大家一个好消息，就是中国科学技术大学的出版社很快就会出版我这本书，叫做《量子信息简话》，这个书就是系统地向大家来介绍量子信息这个领域的，大家看这本书对常见的这些量子信息的问题，就可以完全的回答，而且你会全都知道原理了，所以这个应该很快大家就会见到我这本书了。那么说来说去最最基础问题就是说，量子究竟是什么？因为它名字叫做“子”对吧？所以有很多人立刻就觉得，量子应该是个粒子，你们平时都知道有电子、质子、中子、中微子等等这些都是子，它的第一反应就是说量子是个什么子呢，它跟这些电子、质子、中子、中微子相比，它究竟是大是小呢，最基本的回答就是说，这个问题本身就是错的，这个量子根本不是这个意思，量子不是个粒子，量子的正确理解是什么？量子是离散变化的最小单元，这个才是对它的精确的定义。什么叫做离散变化呢？最典型的表现就是像左边这个图，就是上台阶，上台阶的特点就是说，你可以上一个台阶两个台阶三个台阶，但是你不可能上半个台阶对吧？假如你上半个台阶，结果你会摔倒，就会住医院了是吧？然后平时我们统计人数的时候也是这样，你可以数出有一个人、两个人、三个人，但是不可能有半个人是吧？这种叫做离散变化。所以对于这种离散变化，变化最小的那一格，那最小的单元就是一个量子，所以对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子，对于统计人数来说，一个人就是一个量子。所以当我们提到量子这个词的时候，我们一定要说它是对于某个事物的量子，比如说光子就是光的量子，就是说我们平时见到一束光，它是由很多个光的量子组成的，这一个光的量就是一个光子，然后电子最初是在阴极射线当中发现的，比方说我们看下面这个图，19世纪末的时候，约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson）他首先发现了电子，那时候是以阴极射线形式出现的，从阴极打出这么一束射线，你用一个磁铁可以使它偏转，可见它是带负电。现在我们知道阴极射线其实就是电子数，这里面就是1个电子组成，你可以有1个电子、2个电子，但是不能有半个电子，所以电子就是阴极射线的电子，阴极射线的量子，所以大家就记住了，每当我们谈到量子的时候，它一定是针对某个事物的量子，并没有某个粒子专门叫做量子，所以你不可能去问量子跟电子、质子、中子相比是大是小，这个问题本身就是错的。那么在微观世界当中，有一大类现象，它都是量子化的，就是说它是离散变化的，就是不连续的变化，比如说氢原子的能级，这个氢原子是世界上最小的原子，它只有一个电子，然后这一个电子，它可以出现的能量是分立的，比方说最低的能量是-13.6eV，图中单位是eV，eV是什么意思呢，是electron-volt，就是电子伏特，它是一个能量单位，最低的，就是现在标准1的-13.6eV，上一节呢，第二个是-3.4，负的3.4是怎么来的呢？是-13.6除以4，就是除以2的平方，再上一个是它除以3的平方，再上一个是除以4的平方，就是说第n个能量，就是-13.6eV除以n的平方，它并不是等间距的，但是它确实是分立的，也就是说你可以在这个，n取1到任何一个数值都可以，但是你不会在这中间出现一个能量，比方说你不会出现-11eV对吧？所以对于这种不连续的变化，我们就称它为量子化了。
所以这个微观世界，它的一大本质特征，就是说有很多物理量都是量子化的，所以有整个一个大的基础物理学科叫做量子力学，它最早是在1900年出现的，是谁（提出的）呢？就是左边这个人普朗克，德国物理学家普朗克，在1900年最初提出了量子力学，他是首先发现一个物理现象，叫做黑体辐射这一点，这个黑体辐射它实际上就是，现在知道它就是发出光子，就是发出电磁波，它里边能量必须是一份一份的，不是说你想花发多少发多少，而是说它只能是发一份两份三份，但是不能发半份，这是一个石破天惊的发现了，所以1900年普朗克最先提出了量子力学，后来有很多科学家都对量子力学做出了贡献，到20世纪30年代，量子力学的理论框架基本上建立起来了。
有哪些人对它做出贡献呢？有非常多的人，比方说爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克、玻恩、泡利等等，这些人都因为量子力学得到了诺贝尔奖。然后在量子力学出现之后，大家就把以前我们熟悉的力学就是牛顿力学，现在给它称为经典力学，所以量子现在更多是作为一个形容词，经典也是作为一个形容词，我们是把量子跟经典这样作为一对，它们是对比的，但凡你听说某个现象是经典的，某个现象是量子的，那么这样肯定是量子的比经典要高明，量子是对的，经典是错的，如果这两个的结论不一样的话，肯定是量子力学是对的，经典力学是错的，但是在经典力学的适用范围之内，就是说宏观物体的低速运动，这个时候量子力学得到结论，跟经典力学是一样的，也就是说经典力学相当于量子力学的一种特殊情况，也就是说量子力学的适用范围比经典力学要大得多。然后在前面我们提到了，前面这些人都是因为量子力学得到诺贝尔奖，其中最特别一个就是爱因斯坦，大家都知道爱因斯坦最大的成就是提出相对论，但是爱因斯坦得诺贝尔奖确实是因为量子力学，不是因为相对论，这是非常神奇的一件事情，就是因为诺贝尔奖的评奖委员会，他们非常不喜欢相对论，他们始终不相信相对论，所以他们宁可因为量子力学发给爱因斯坦一个诺贝尔奖。
那么实际上相对论跟量子力学是当今物理学的两大基础理论，他们是当今物理学两个支柱，当然这是一个很特别的状况，就是说基础理论为什么会有两个，如果它是真正的最基础的理论，那不应该只有一个吗？所以这实际上是个严重的问题，就是说量量子力学和相对论，两个还没有融合起来，是应该存在一个更基础的理论，把这两个融合起来，这个是我们当前努力的方向，但是现在还没有做到，这个是物理学的前沿，所以我们来比较一下，相对论和量子力学，它们处于什么状况？相对论大家都知道，它主要就是爱因斯坦一个人搞出来的，所以一提到相对论你就会想到量子力学，就会想到爱因斯坦，但是量子力学你说它是谁搞出来的？这很难说，因为它参与人实在太多了。那么很多人一旦知道了有量子力学这个学科之后，下意识的问题就是说量子力学能用来干什么呢？实际上这个问题问得不好，更值得问的是它不能用来干什么？因为它能干的事情实在是太多了，你几乎找不到一个它不能干的事情。
反而你可以问一下，相对论能用来干什么，因为相对论能干的事情实在是并不太多，比如说宇宙学需要相对论是吧？那大爆炸理论什么的，黑洞之类的东西，然后重元素，它那个化学会用到相对论，因为重元素那层电子跑得很快的，接近光速了。然后还有一个，好不容易找到一个，在日常生活中就要用到相对论的是卫星导航系统，叫GPS北斗，这种它需要用到相对论，因为它卫星跑得很快，这个是出现了狭义相对论的效应，同时它这个卫星离地面很远，卫星上面它受到的重力，比在地面要低，这又会产生一个广义相对性的效应，这两个效应都是需要考虑的，需要把它扣除掉的，否则导航就不准了，但是数来数去，日常生活中就这些了，但是量子力学，在日常生活中你是每时每刻都在用，我告诉大家，你但凡在用电，任何一个电器，你就已经用到量子力学了，所以量子跟相对论这两个领域，是完全不一样的。所以我们来解释一下，有一些最基础的问题，都是有了量子力学之后才能回答的。比方说一个最基础的问题，就是原子的稳定性，我们都知道这个原子，是由电子和原子核组成的，电子带负电，原子核带正电，那么一个显而易见的东西就是说，电子难道不会落到原子核上吗？它既然受到原子核的静电的吸引是吧？它为什么不落上去？如果是经典力学，那它肯定会落上去的，那么结果不就是原子崩溃吗，所以一个最基础的问题就是，我们为什么能够稳定存在是吧？原子为什么能够稳定存在？这个就是回答量子力学，就是说因为原子当中的电子的能级，量子化它有个最低值，你最低等到那个最低值，比方说对于氢原子来说，就是-13.6eV，你不可能更低，如果电子落到原子核上，那变成负无穷了是吧？这个比那个最低的还低了，所以它落不上去，这个就是对于原子的稳定性的回答。下一个问题就是为什么原子又会聚成分子是吧？其实就是化学的基本问题，回答是说分子的能级也是，分子能量也是量子化的，它也是一格一格的，然后两个原子聚成一个分子，假如分子的最低能级比两个原子的能量加起来还要低，它就会放出能量，所以它们形成分子是有利的，这个就回答了化学的基本原理。然后下一个问题也是一般人不会想到的，就物质为什么会有硬度，也就是说世界上为什么会存在固体是吧？比方说这块砖头，或者这块钢铁，它为什么是硬的？这个问题实际上就等价于说，这些原子它们互相之间离得太近了，为什么会推开而不会落到一块去对吧？这个问题的回答是说因为有一个粒子叫做费米子，比方说电子就是费米子，跟费米子相对叫玻色子，费米和玻色是两个著名的物理学家了，费米子的特点就是它们要满足这个泡利不相容原理，它们之间你如果离得太近的话，它们会互相推开，也就是说它们不能落到同一个状态上面去。你如果把两个电子放得非常近，它们就会产生一个非常强的排斥力，以避免它们落到同一个状态是吧？所以这个就解释了世界上为什么会出现固体。下面一个问题是我们日常生活中每时每刻都在用的，就是导电性，为什么有些物质能导电？比如说铜和铝能导电是吧？它们是非常好的导体，有些物质不导电，比方说木头和塑料它就不导电，然后后面我们又会发现有些物质是半导体，比方说硅和锗，有些物质是超导体，比方说低温下的一些金属，这些问题传统理论是完全没法解释的。你如果问一个19世纪的物理学家，说为什么有些物质能导电，有些物质不导电，他能给你的最好的回答也不过是说，那些能导电的物质里边电子是自由的，不导电的物质里边，电子是不自由的，这实际上我们在中学和小学学到的导电理论就是这样的，所谓自由电子理论是吧？但是仔细想一想这真的算一个解释吗？实际上它没有解释任何东西，它只是同意反复而已，因为它只是告诉你，你如果能导电，你就把它叫做自由电子，不能导电就把它叫不自由电子。那你要问他你能不能预测呢？能不能告诉我为什么铜和铝里面的电子就是自由的，木头和塑料里面的电子就是不自由的，回答是因为它根本预测不了，所以这个理论它只是玩一个文字游戏而已，只有在有了量子力学之后，我们才发展出整个一套新的理论，叫做能带理论，能量的能，领带的带，条带的带，这个能带理论是能够让你去做计算，能够精确地预测，哪些物质能导电，哪些物质不导电。我们还能够发明出新的物质，比方说半导体和超导体，然后量子力学不但是能够解释现实世界已经有的现象，而且它还能够发明一些新的设备，比方说激光器和发光二极管，这个大家也都经常用，比方说我现在用这个激光笔，这个就是量子力学，用量子力学的效应才能造出来的，如果没有量子力学，你是完全不能理解激光这种现象的。所以现代社会所有的技术成就，都离不开量子力学。所以你如果要问，量子力学有什么用是吧？这是一个非常外行的问题，说明你肯定对量子力学一无所知，你如果对量子力学有一点了解，你就肯定不会问这种问题了。既然对量子有点了解，你会发现原来它出现已经有100多年了，它1900年就提出来了，它完全不是一个新兴事物是吧？那它为什么现在这个词突然变得如此火热呢？回答是说新兴事物是叫做量子信息，是一个交叉学科，是从80年代以来量子力学跟信息科学两个交叉起来，产生一个新的学科叫做量子信息，量子信息它是要干什么呢？它就是利用量子力学这种框架来做到传统的信息科学做不到的事情。比如说什么呢？比如说有一个最惊人的，叫做传送术，比方说很多科幻电影，比方说《星际迷航》里面，最核心的技术叫做传送术，biu的一声，把一个人从这儿传到那儿，这个东西叫传送术，这个东西是一个真实的技术，在量子信息里边，它确实有这个技术，叫做量子隐形传态，以前传送是个纯粹的幻想，但是到了现在，传送术是一个真实的技术了，这个到后面我们会来仔细地解释一下量子隐形传态。
所以大家可以看到，量子信息确实是一个非常神奇的一个学科，里面可以实现很多以前完全无法想象，完全没法做的事情。那么具体的量子信息包括哪些内容呢？大家可以想一下，我们平时用到的信息技术包括什么？用到最多的是手机对吧？手机是用来通信的，然后有计算机，计算机是用来做计算的，然后我们平时用的像尺子、温度计、钟表这些东西，其实也可以算作信息技术，它们是用来做测量的对吧？所以相应的，量子信息也包括这么三大块，就是量子通信、量子计算和量子精密测量。
然后这三大块里面，每一个又包括一些具体的技术，比如说量子通信里面包括量子密码和量子隐形传态，这个量子隐形传态就是我刚才说的传送术，量子计算里面包括量子的因素分解，或者量子的搜索，然后量子精密测量里面，包括像原子钟和量子雷达如此等等，后面我们来分别来解释这三大块。在这三大块当中呢，最容易理解的是量子精密测量，因为你都不需要了解它的原理，你只需要明白一件事情，就是通过这种量子力学的技术，可以使我们把某些物理量，测的比以前精确得多，你提高了测量精度，你当然就可以做到很多以前做不到的事情是吧？这是显而易见的，所以这个东西是最容易理解的。我们来举几个例子，比方说有一个新的技术叫做雾里看花，这是他们自己起的名字，雾里看花，它实质就是单光子成像。就是说以前的这个成像，比方说我们现在用的照相机，往往是用CCD，它是用光电探测仪，就是你现在用你那个手机，它那个成像原理可能就是CCD，这光电探探测器，你成立一个像素点，大概需要接收到10亿个光子才行。而现在潘建伟院士和徐飞虎教授，他们做了很大的改进，他们发明了这种单光子成像的仪器，你只需要一两个光子，就可以成一个像素点，比如说他们就可以做到在8.2公里之外，识别一个人的姿态，这个人实际上是个玩偶，摆出一个木偶，你看你就可以大致看出来，上面那个图是一个人把双手举起来，下面这个图是两只手一只向上一只向下是吧？
你就看中间那个图就是对吧，可以看个八九不离十对吧？这可是离了8.2公里，然后右边那个图是隔了45公里，然后还是在雾霾天气，看上海的浦东民航大厦，你如果用常规的像素去看，你能看到什么呢，你是什么都看不到，它就雾蒙蒙的一片是吧？但是你如果用这种单光子成像，你还可以马马虎虎，你还可以看出一个轮廓，然后你可以判断这是浦东民航大厦。所以他们把这个称为雾里看花，就是即使在雾霾天离得非常远，你都能够看一个大致的轮廓出来。那下一个是量子雷达，实际上一听到量子雷达这个词，大家都会很兴奋是吧？很多人就会想到，第一个问题是说，这个东西是不是能用来探测隐形飞机，我可以告诉大家，量子雷达其实有好多种，光我所知的，在研究量子雷达的单位就有好多家，他们不同的单位研究的量子雷达是不同的原理，但是我熟悉的这一个量子雷达，是用来探测大气风场的，也就是说探测我们的大气层里面每一点，它有没有在刮风，如果有的话风朝哪儿刮，风的速度是多少？这个叫大气的风场。
这是谁做的呢？这是窦贤康院士、潘建伟院士和张强教授他们一块合作来做的，这个用雷达来探测大气风场，这是一个传统早已有之的技术。但是传统技术产生的困难在哪儿？最大的困难来自太阳，因为太阳它会产生一个巨大的干扰，然后太阳干扰最少的那部分波段，其实是红外波段，因为太阳它发射出来不是可见光吗，红外那部分太阳光的强度是比较低的，但是这个麻烦是在于探测器，就我们红外探测器的性能是比较差的，所以呢，窦贤康、潘建伟、张强他们做的改进，是他们发展了一个单光子频率的转换技术，就是你打出去的是红外光，然后接收回来的时候，就用频率转换技术把红外光转化成一个863纳米的一个光，然后这个光是比较容易探测的，所以你用这个就可以把那个探测的效率大大提高，这样的话你就可以把探测的效率大大提高，所以最终的结果是把探测距离从原来的2.6公里调到了8公里，这个就非常大的，很明显无论是军用还是民用的价值，都非常明显了。然后再下一个，这个又是潘建伟和徐飞虎他们做的，他们把它命为隔墙观物，这个东西看起来这个也非常简单，也就是说，平时我们如果看一个东西，你隔着一堵墙，你当然不可能看它对吧？那个墙就把它挡住了，但是现在你可以用这个墙把它这个墙当成一个反射的镜子，你居然就可以接收到那个物体的信息，你想想这是多么惊人的一件事情。传统的我们平时为什么不能用这个墙当镜子去看见这个东西？因为这个墙发生的是漫反射，就是你对它打一束光过去，光会反射向哪儿呢？它其实可以反射到任何一个方向。如果是一个镜子，镜子发生镜面反射对吧？入射角等于出射角，所以你会成一个非常清晰的像，但是如果是一个墙壁的话，它可以反射出来可以到任何方向，每一个方向强度都很弱，所以平时你是成不了像的，但是他们有特别灵敏的光接收的技术，也就是单光子成像的技术，所以他们就可以用通过漫反射，三次漫反射，然后居然回来一些光子。你就可以用这一小部分回来的光子，就可以构建出物体的像。这个到底回来多少呢，他们是说你发一次发出了460亿亿个光子，然后其中有674个经过了三次漫反射回来，你就抓住了这么674个，你想想这个损失率有多高是吧？但是你这亿亿分之一的幸存率是吧？你还是抓住了，然后就用674个光子，然后经过反演，然后你可以把这个物体的像，构建出来。
你看这个右边那个图，上面最右边这个是两个玩偶，上面那个是一个人举起双手，然后倒数第二个，就是第4格的那个，那么你大致看得到，一个人举起双手，然后下面那个是一个H的形状，你看那个，大致是H的形状，所以你可以判断个八九不离十。OK，量子精密测量，这个是任何人都可以理解的，即使你对量子力学是原理完全不懂，但是你可以理解，它是非常有用的是吧？然后后面这个量计算和量子通信，你要理解它们是干什么的，那个难度就比较大了，你就必须要理解量子力学的原理。所以下面我们来讲一下量子力学的原理，但是每当我们要讲量子力学的原理，首先要克服的是一个心理困难，有很多人一听量子力学就怕了，因为他已经看到过很多种这样的说法，比方说“不自量力”是吧？不要自学量子力学，量力而行，这个量力量量子力学，随机过程随机过，诸如此类的这样的笑话是吧？
所以他们还没学腿已经软了，他们觉得学得很恐惧是吧？所以在他们印象当中，量子力学是一套难以理解的玄学是吧？我们首先要破除就是这种迷信，就是你先不要自己吓唬自己，量子力学不是玄学，这个道理是非常清楚的。就它正确理解是，量子力学是一套清晰的数学框架，就好比是一个微观世界运行的一本操作手册，数学框架它最大的特点，其实是它非常的精确，有很多人以为，因为他们都听说有个词叫测不准原理是吧？
所以他们以为量子力学里面一切都是模糊的，你什么都不准，正好相反，量子力学是一个非常精确的理论，比如说我们最近有个例子，量子力学当中有一个非常重要的一个常数，叫做精细结构常数，我们往往用α来代表，精细常数它表示的什么意思？就是氢原子的那一个电子它的速度跟光速的比值，所以你可以算出来大概是1/137。然后在最新的实验当中，去年底就有一拨法国人去测量了精细结构常数，他们把它测准到了万亿分之81，他们现在测出来这个精细结构常数导数，大概是137.03599206±11，就最后两位数加减11，然后但是直到这么多位数，仍然跟理论值是符合的。所以就是说量子力学其实是一个最最精确的理论，是我们有史以来最精确的那些测量结果，都是量子力学搞出来的，所以量子力学一点都不可怕，它是一个非常精确的理论，而且全世界有数以百万计的科技人员，都是熟悉这种操作手册的，至少全世界所有的物理专业和化学专业的学生，都学过量子力学，所以这个量子力学没什么可怕的，你要学懂它这完全没问题。
背景简介：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，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，中国科普作家协会理事，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，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。责任编辑：陈昕悦