沒有半份兒的量子

最酷的科幻作品，一定是既討論宇宙時空，又試圖探索生命的秘密，因為這是目前科學領域面臨的兩個最大的未解之謎。比如科幻劇《星際迷航》里，柯克船長和斯波克進入“超距傳輸室”，就能從企業號飛船里消失，瞬間出現在星球另一端。你可不要以為這種科幻情節“純屬虛構”，其實，這種情節的設想來自量子奇異的性質。

量子，量子，我們已經聽人們說了太多次這個詞了，那么量子究竟是什么呢？簡單地說，它是這個世界上小到不能再小的單元。在量子物理學研究中，東西從來都不是按一件一件來分的，它們全部統一被切分為小得不能再小的一份一份，這個最小單位就是量子。我們所知道的原子、分子、質子、電子等等，它們都是以量子為最小單位的。

那我們常碰到的“量子化”又是什么意思呢？我們在玩樂高積木的時候，不管你要搭建一座城堡，還是搭建一架挖掘機，都要用到許多塊樂高積木。但無論你搭的是什么，你用的都是一整塊的樂高積木，沒有半塊，也沒有小半塊之說。在樂高的世界里，一塊樂高積木就是一粒量子；當你辛辛苦苦爬樓梯的時候，你可以注意數一數，不管多高的樓，樓梯都是一級又一級的臺階，不存在“半級”臺階這回事兒；學校里的等級也一樣，二年級、三年級、四年級，不可能有2.5年級、3.5年級這一說。這些“整數”化，沒有更小的份數的事兒，我們在物理學上稱之為“量子化”。

量子是德國物理學家普朗克教授在1900年提出來的。是的，在人類漫長的歷史過程中來說，量子的發現簡直可以稱作是“剛剛發生”。為什么到100年前才發現量子呢？因為量子實在太小太小了。所以我們不了解不太懂，也是情有可原啦，畢竟連最聰明的科學家們也沒有完全弄清楚量子是怎么回事呢。

織一張保密網

在第二次世界大戰中，密碼學家圖靈和許多破譯人員一起，幫助英國政府，破譯了德國希特勒戰隊的密碼機。悲催的希特勒根本不知道，其實他所發布的所有命令完全暴露在盟軍的眼皮子底下。在多次預先伏擊戰役失敗后，希特勒開始懷疑自己的情報被盜取了，所以他下令對考文垂這樣在戰略上不重要的城市進行轟炸，以測驗是不是真的被竊密了。丘吉爾為了戰爭的整體勝利，犧牲了考文垂，從而騙過了希特勒。

我們設想，如果當時的希特勒擁有了量子通信技術，那么，他的命運也許就不是這樣的了。在量子通信技術里面，完全不存在信息被截獲的可能性。當信息通過量子態傳送到接收方的時候，接收方必須對量子進行測量才能看到傳遞的信息。如果中間，有第三者想要竊取信息，對不起，量子態馬上就會發生改變，傳送到接收方，接收方會立即發現被別人竊聽了。

有些同學一聽立即就激動了，那有了量子通信技術，是不是再也不用擔心媽媽偷聽我的電話了。恭喜你，你答對了！當你在跟同學講電話的時候，家里任何一人只要拿起另一個電話機想進行竊聽，你第一時間就會知道有人“侵入”了你們的談話。

這個通信技術離我們還很遠嗎？我國杰出的量子物理學家潘建偉院士已經完成了距離超過200千米的光量子通信實驗，在世界上保持領先水平。今年，我國還計劃發射世界首顆量子科學實驗衛星，與正在建設的京滬通信干線一起，最終打造一張天地一體化的量子保密通信網。

計算機里的“老大”

想象一下，你被要求在5分鐘內在偌大的圖書館里，找到某一本書的某頁上的一個大寫字母“X”。這幾乎是不可能的，因為那里有你數都數不過來的書。但是如果你有一臺量子計算機，那么，所有的不可能就變成了可能。

和普通計算機只能按照時間順序一個個地解決問題相比，量子計算機卻可以在同一時間內解決多個問題。這種超快速度可能徹底改變所有行業，還能解決復雜的問題：

1.提供更為精準的天氣預報

量子計算機初創企業QxBranch的董事會成員雷伊·約翰遜表示，現代技術預測天氣情況的時候，即使用最尖端的儀器分析溫度和壓力，也會出現太多可能性，氣象模擬變化多端，而當前的天氣預報多數也都屬于經過分析的大致猜測，所以，天氣預報還會出現漏報或錯報的現象。但一旦有了量子計算機，它可以一次分析所有數據，向我們提供更好的模型，精準地顯示惡劣天氣會在何時何地出現。這樣，我們可以提前得知颶風等災難來襲的具體信息，并贏得時間去拯救更多生命。

2.再也不會堵車

量子計算機可以簡化空中和地面交通控制的工作量，因為它們善于迅速計算出最佳路線。如果你計劃公路旅行，期間要在10個不同的地方停留，普通計算機可能需要單獨計算所有可能路線的長度，然后篩選出最佳路線。而量子計算機可以同時計算所有路線的長度，并以更快的速度篩選出最佳路線。

3.加速太空探索

利用開普勒太空望遠鏡，天文學家已經在太陽系外發現近2000顆系外行星。開普勒的任務還包括盯緊這些行星，等待它們從宿主恒星前面通過。屆時，這些系外行星會投下陰影，天文學家可分析和預測這些行星上的大氣狀況，以及它們是否適合生命生存。

量子計算機可幫助太空望遠鏡獲得更多數據，并發現更多系外行星，幫助迅速確認哪些行星最有可能適合生命生存。量子計算機甚至能夠發現開普勒望遠鏡錯過的系外行星。

未來的科學家們，請你來思考

現在，科學家們已經證實“量子傳態”是可以實現的，那么人類是不是就可以實現把人和物體像《星際迷航》里面那樣，傳到其他的地方去？

目前來說，這個過程要實現還是不太現實的。因為“量子隱形傳態”要求接收方和發送方先擁有一對“關聯量子”，才能實現傳遞信息這個步驟。在這個過程中，僅僅是把量子態，也就是一個物體的各種屬性傳遞過去，而不是物體本身。

那么問題就來了，即使我們可以把代表我們的所有屬性都傳送到另一個星球上再創造一個“我”，那么留在地球上的“我”又是什么呢？生命難道真的可以這么輕松地復制嗎？大腦如此精密的器官是否真的可以把它量子化？

這些問題都是未解之謎，等著你們去解開，少年們，努力吧！