中央政治局都在学习的“量子”,究竟是个啥?
2020-10-18
WLF
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  据新华社报道,中共中央政治局10月16日下午就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。

  中共中央总书记习近平在主持学习时强调,当今世界正经历百年未有之大变局,科技创新是其中一个关键变量。我们要于危机中育先机、于变局中开新局,必须向科技创新要答案。要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性,加强量子科技发展战略谋划和系统布局,把握大趋势,下好先手棋。

  清华大学副校长、中国科学院院士薛其坤就这个问题进行了讲解,提出了意见和建议。

  中央政治局都在学习量子科技,足见其重要性。那么问题来了,“量子”究竟是个啥?

中央政治局都在学习的“量子”,究竟是个啥?

量子科技:有潜力的未来游戏规则改变者
图|airbus

01  量子:不可分割的基本物理单位

  要说清楚量子科技,显然不是一篇短短的推送所能做到的。要知道,以普朗克、玻尔、薛定谔等巨擘领衔的顶尖科学家,努力了百年,也没能把量子研究透。

中央政治局都在学习的“量子”,究竟是个啥?

量子纠缠
动图|tenor

  在量子科技上的每一次突破,都是诺贝尔奖的热门候选——事实上,确实有多次诺贝尔物理学奖颁给了研究量子相关领域的科学家,比如将参加即将于10月底举行的第三届世界顶尖科学家论坛(WLF)的沃尔夫冈·克特勒(Wolfgang Ketterle)、塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)、邓肯·霍尔丹(Duncan Haldane)等。

  所以,这篇推送会尽可能用通俗易懂的语言,说清楚量子科技研究的“量子”究竟是什么,以便大家对量子科技有个基础的认识,在聊起这个热门话题的时候能够略懂;而不是只会嚼“遇事不决,量子力学”这句烂掉的老梗。

  首先,直截了当地抛出量子(quantum)的概念:科普中国科学百科对量子的定义是——现代物理的重要概念,一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。

  怎么样,是不是每个字都看得懂,但连起来却完全不知道它在讲什么?

中央政治局都在学习的“量子”,究竟是个啥?

图|tenor

  没关系,这是这篇推送的唯一一个“概念”,接下来的全是“人话”,初中毕业都能看懂。

02  量子的两个常见误区

  提取一下量子概念中的关键词:最小、不可分割、基本单位。

  敲黑板,不要被量子的名字骗了!量子是“单位”,而不是“粒子”。如果你把量子当作和分子、原子、中子、电子或者更小的夸克一样,是组成物质的成分,那就贻笑大方了。这也是关于量子的第一个常见误区。

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  所以,量子科技研究的不是“粒子”,而是物理量。不要追问物理量是什么,初中物理老师听了想打人!

  物理量可以分成两类,一类是“连续的”,可以无限分割,比如距离、时间,只要你的想象力和词汇量足够,可以将它们一直分割下去;还有一类是“离散的”,不能一直分割下去的,比如能量、电荷等。

  打个比方,你走一步,可以是一米,也可以是半米或者0.25米;但是,你走楼梯,只能走一级、两级……不能走半级台阶。一级台阶就是最小的、不可分割的单位,所以台阶是“量子化”的——当然,这只是个比喻。

  囿于观测手段,19世纪之前,人们往往认为所有的物理量都能无限分割,可以任意取值。例如,经常被写进作文的庄子名言,“一尺之棰,日取其半,万世不竭”。这是关于量子的第二个误区。

  从19世纪后期开始,物理学进入微观领域,科学家们发现很多物理现象无法用经典理论解释。1900年,马克斯·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)提出,“能量子”(量子)是能量的最小单位,标志着量子力学的诞生。

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马克斯·普朗克意外开启量子力学
图|Youtube

  顺便再提一句,量子力学是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的结构和性质的基本理论,是近代物理的基础理论之一;而量子科技通常是指量子通信、量子计算等基于量子特性的应用研究,两者也不能划等号。不过本文就不展开叙述了。

03  关于量子科技,诺奖得主这样说

  量子科技如此热门,WLF怎能少了它!第三届WLF特设量子系列峰会,参会顶尖科学家包括2001年诺贝尔物理学奖得主沃尔夫冈·克特勒、2012年诺贝尔物理学奖得主塞尔日·阿罗什、2016年诺贝尔物理学奖得主邓肯·霍尔丹等,中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长潘建伟院士担任主持。

  之前,我们已经推送了霍尔丹的专访(详见专访|真人版“阿笠博士”是诺奖物理得主!他说:遇事不决,指望不上量子力学),今天来听听克特勒对量子科技的展望。

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  克特勒因为在碱金属原子稀释气体中(制成)玻色-爱因斯坦凝聚态以及关于凝聚特性的早期基础研究而获得诺贝尔奖。这个听起来就很高大上的名词是一种量子材料,克特勒表示在两个方面的应用上有着巨大的潜力。

  第一是应用在密码学,开发先进的原子锁,或者用于精密测量和高灵敏度的量子传感器。

  另一个应用则是在材料领域。通过对玻色-爱因斯坦凝聚态的不断研究,更好地用量子化的方式描述它,将带领我们探寻到材料的内在奥秘,从而开发新型材料。

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克特勒教授与WLF专访视频截图

  不过他也表示,没办法具体预测量子材料的突破,因为每天都有可能出现颠覆性的新发现,这也是量子科技领域最让人兴奋的地方。

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图|Giphy

重磅预告

  世界顶尖科学家论坛(WLF)值此背景之下,在10月底即将举行的第三届WLF上重磅推出世界顶尖科学家系列主题峰会之量子系列峰会。2001年诺贝尔物理学奖得主沃尔夫冈·克特勒(Wolfgang Ketterle)、2012年诺贝尔物理学奖得主塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)、1998年沃尔夫物理学奖得主迈克尔·贝里(Michael Berry)以及潘建伟院士都已确认参与!

 

排版|Kai
编辑|羽华
责编|小文

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