潘建伟院士给杭州中学生上了一堂物理课

　　量子力学告诉我们

　　人是不能被复制的

　　最近，西湖大学公开课“湖心讲堂”第一课开讲，首场就邀请到了中科院院士、著名物理学家潘建伟教授。大家都知道，量子科学实验卫星“墨子号”就是潘建伟院士带领的团队研发的。本期，就让我们跟随潘院士，走进量子力学的神奇世界。

　　A>

人的命运是注定的吗？

这个实验让爱因斯坦都困惑

　　爱因斯坦是人类历史上最伟大的科学家之一，他有一个信念：上帝是不掷骰子的。

　　这是什么意思呢？同学们都学过牛顿力学，它可以计算日月星辰如何运动。也就是说，任何物体的运动状态都可以精确预言。

　　既然万事万物的运行轨迹都能精确预言，就会引出一个概念：决定论。那么，一个人的命运是不是注定的？

　　人们内心深处多半不相信世界是决定论的。霍金讲过一句话：“即使是相信一切都是上天注定的人，在过马路的时候也会左右看一看，以免被车撞到。”

　　所以，这个世界到底是决定论的，还是本质上是不确定的，以至于我们可以有自主意识和自由的思想？如果世界是不确定的，如何用物理学证明？

　　我们可以用一个物理实验来说明这个问题——光的双缝实验，很多同学在中学物理课里学到过。

　　一束光在穿越两个并列的细缝以后，会出现明暗相间，像斑马一样的图案，这叫“干涉条纹”。这是“波”的典型特征，因为波是可以同时穿过两个缝的。水波、声波都会产生明显的干涉现象。根据经典物理学，光是一种电磁波，所以也会干涉。

　　然而，物理学家也发现，其实光是由很多小颗粒组成的，这些小颗粒就是光能量的最小单元，叫做“光量子”，或“光子”。为了形象，可以把它想象成一颗台球。

　　如果把这颗“台球”也做双缝实验，就会发现，在单次实验中，“台球”可以随机出现在很多地方。但是重复很多次以后，竟然也出现了干涉条纹。

　　这就非常让人困惑了，因为那意味着，这颗“台球”也像波一样，可以同时穿过两个缝。这怎么可能呢？

　　为了检测它到底穿过了哪条缝，物理学家又做了一个实验，在两个缝旁边都放一个用来检测的原子。如果光子从某个缝过去了，那个原子能“探测”到。

　　结果，原子果然探测到它是从其中一条缝过去的。但让人惊讶的是，当我们知道光子从哪一条缝过去的时候，干涉条纹就消失了。

　　最后得出了这样一个结论：如果知道光子路径的话，就没有干涉条纹；如果出现了干涉条纹，我们就无法判断光子的路径。

　　也就是说，光子走的路径，竟然和我们是否去观测它有关。

　　物理学家由此展开了激烈的辩论。爱因斯坦相信上帝不掷骰子，光子的路径一定是预先确定的，只不过理论还不够好，没有掌握真正的规律。

　　而另一位物理学家玻尔则认为，光子的路径在没有测量之前是不确定的。如果你去看它，它在某一条路径上；你没有看，就是在两条路径上，处于通过左缝和通过右缝的相干叠加。

　　B>

量子力学告诉我们

世界是本质不确定的

　　1935年，爱因斯坦提出了“量子纠缠”的概念。他认为，如果量子力学是对的话，那么就一定会有“纠缠态”的粒子，其中一个粒子的状态，决定另一个粒子。

　　为了形象一点，可以打个比方。假定有两朵花处于纠缠态。花有两个属性：颜色和气味。

　　如果用眼睛看左边的花是红色，那么右边也是红色。再看一遍，左边是蓝色，那么右边也是蓝色。如果闻左边的花香是玫瑰香，那么右边也是玫瑰香；如果左边是兰花香，右边也是兰花香。

　　现在有两种理论解释这种现象。爱因斯坦认为，花的颜色和气味是事先定好的，跟我们看不看、闻不闻没关系。而量子力学则认为，颜色和气味在我们测量前完全不确定，对一朵花的测量结果，会瞬间决定另一朵。双方争论不休，谁也不能说服谁。

　　在爱因斯坦提出量子纠缠概念30多年以后，有一位叫约翰·贝尔的科学家找到了验证的方案。结果，几乎所有的实验都证明量子力学是正确的。

　　这告诉我们一个非常好的结果：物理量的值不是预先确定的，只有测量的时候才会决定它是什么性质；测量的结果是随机的，观测者的行为会影响体系的演化。

　　由此量子力学告诉我们，一个原子的状态是不能被复制的，所以我们也不可能像复制手机里的通讯录一样去复制一个复杂的人。所以说，“我”独一无二。人有自主意识，并且人的行为可以影响体系的演化，这是量子力学和牛顿力学根本的不同。

　　兴趣小组

威力巨大的

量子信息科技

　　我们的世界不是决定论的，有了这样新的理念之后，可以来做很多有趣的事。

　　经过几十年的努力，科学家们可以从一个十瓦的电灯泡里，拿出一个个光子来，然后把这些光子粘在一起，进而做我们想做的事情。

　　这样，一个新的学科诞生了：基于量子调控技术的量子信息科技。

　　它的应用很多。比如量子通信，可以提供原理上无条件的安全通信方式。

　　经典加密算法，原理上都能被破解。比如大家常用的银行U盾，根据清华大学一位密码专家的理论，他们可以很轻易破解它。

　　但是，量子通信是绝对安全的。为什么呢？比如张三和李四要送密钥，用单光子来送。如果中间有窃听者偷看，那么本来光子是有干涉的，被人偷看一下就被扰动了，没有了干涉条纹。那么只要发现光子没有干涉条纹，就知道被人窃听过。这样通信双方可以丢弃存在窃听风险的密钥，来确保密钥的安全分发。

　　第二个应用是“量子隐形传态”，利用量子纠缠可以把量子信息从一个地点送到另外一个地点。

　　此外，还有量子计算机。经典计算机里，一个比特处于0或1两种状态之一。但在量子计算机里，两个状态可以同时存在。随着量子比特数越来越多，同时叠加存在的状态数是指数增长的，因此量子计算机的算力惊人。去年谷歌发布一个结果，在经典超级计算机上需要算1万年的东西，在谷歌的量子计算机上只要200秒。

　　在量子通信方面，通过十几年的努力，潘建伟院士带领的团队，研制成功了国际上第一颗量子科学实验卫星 “墨子号”，在2016年8月份成功发射。

　　“墨子号”有三大科学实验任务。第一是星地之间的量子密钥分发，在1200公里的距离上，目前每秒钟点对点可以送十万个安全密钥。第二个任务是实现了1200公里的量子纠缠分发，验证了即使相隔上千公里，量子纠缠也是存在的。第三个任务是实现了上千公里的量子隐形传态。