說起量子力學(xué)，相信大家都有所耳聞。相比其他物理學(xué)科，量子力學(xué)似乎格外受人們青睞。的確，量子力學(xué)似乎更能激發(fā)起人們的興趣——它為我們展示了一個奇異而美妙的微觀量子世界。近年來，隨著科技的進(jìn)步，量子力學(xué)不再高高在上處在我們不可觸及的地方，而是開始漸漸地開始應(yīng)用，走進(jìn)我們的生活中，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，量子力學(xué)其實(shí)就在我們身邊。
在“量子”概念被熱炒的今天，不可否認(rèn)的是，很多人對量子力學(xué)的概念所知甚少，以致很容易被同樣一知半解的媒體所誤導(dǎo)，對這門嚴(yán)謹(jǐn)而又充滿前景的學(xué)科產(chǎn)生多多少少的誤解，這是我們不愿看到的。
當(dāng)談起量子力學(xué)時，我們會想起什么？
想必很多人首先會想起只“薛定諤的貓”——量子力學(xué)的奠基人之一，奧地利物理學(xué)家薛定諤于1935年提出了這個至今被大家津津樂道的思想實(shí)驗(yàn)。
緊接著會聯(lián)想新聞中看到的“量子通信”這一概念——我國于2016年8月16日發(fā)射了名為“墨子號”的量子通信衛(wèi)星，將在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信。
在說這只貓與這枚衛(wèi)星之前，我們都需要補(bǔ)充一些量子力學(xué)的理論，然后我們再試著以一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)的姿態(tài)，利用“量子”的觀點(diǎn)去了解它們。
爭論至今的理論與薛定諤的思想實(shí)驗(yàn)
量子力學(xué)最為人稱奇的概念當(dāng)屬“觀測-坍縮”理論。
舉例說明。假設(shè)這里有一種具有放射性元素（有放射性意味著可能發(fā)生衰變），我們拿出其中一個原子，用于觀測它的衰變現(xiàn)象。根據(jù)我們的經(jīng)典認(rèn)知，在某一個時刻，這個原子要么是衰變了，要么沒衰變，這是非常顯然的。然而，量子力學(xué)的觀點(diǎn)告訴我們，在觀測前，這個原子一直處在“衰變/沒衰變”的疊加態(tài)，直到我們?nèi)ミM(jìn)行觀測，這個原子才會確定為其中一個狀態(tài)，物理學(xué)家們稱原子坍縮到了這個狀態(tài)。
你一定會覺得不可思議：一個原子怎么可能處在兩個不可能同時發(fā)生的事件（衰變/沒衰變）的疊加狀態(tài)呢，這到底是一個什么樣的狀態(tài)？而且，為什么只要它進(jìn)行觀測，這個原子就又會乖乖的回到其中一個狀態(tài)中去呢？
薛定諤也是這么想的。于是它構(gòu)想出了現(xiàn)在我們稱之為“薛定諤的貓”的思想實(shí)驗(yàn)。設(shè)想有一個密封的盒子，里面放著一瓶毒氣和一只貓。在毒氣瓶旁放著一個小錘子，有一個精巧的裝置控制著它——這個裝置可以檢測一個放射性原子是否發(fā)生衰變，如果原子發(fā)生衰變，它會控制錘子敲碎毒氣瓶，盒子里的貓會被毒死。我們將一個可衰變的原子放進(jìn)這個裝置，量子力學(xué)告訴我們，如果我們不對這個原子進(jìn)行測量，它將處于“衰變/不衰變”的疊加態(tài)，也就是說，在這個實(shí)驗(yàn)中，如果我們不打開盒子進(jìn)行測量，這只貓將處于“死/生”的疊加態(tài)。
聽了薛定諤老先生的實(shí)驗(yàn)，你可能認(rèn)為量子力學(xué)背后蘊(yùn)含著很多哲學(xué)觀點(diǎn)，覺得量子力學(xué)是唯心的等等，將量子力學(xué)神秘化。但是仔細(xì)想來，這實(shí)際上只是一個偷換概念的把戲——薛定諤只是通過一個假想的裝置將量子態(tài)的疊加對應(yīng)到宏觀中狀態(tài)的疊加。然而宏觀體系本身不允許處在一個由不同態(tài)構(gòu)成的線性組合的態(tài)，一個人不可能處于生和死這兩種狀態(tài)的疊加，人或者生命體也沒有所謂的“基本狀態(tài)”可言。當(dāng)年薛定諤他老人家提出這個思想實(shí)驗(yàn)，是為了向人們講述坍縮現(xiàn)象是多么詭異，并沒有其他任何唯心主義思想觀念在里面。
“測量-坍縮”的思想量子力學(xué)的基本假設(shè)之一。量子力學(xué)允許一個量子體系處在很多“基本”狀態(tài)的疊加狀態(tài)下。而且，對于一個量子體系，不管它處于怎樣復(fù)雜的疊加狀態(tài)，只要有人觀測，它會立即“坍縮”到其中一個基本狀態(tài)，如果緊接著再進(jìn)行下一次觀測，它將仍然處于這個基本的狀態(tài)。
這就像是說，有一個亂哄哄的教室，紙團(tuán)亂飛，學(xué)生也隨意走動。就在這時，老師走到了門外。就在老師推門的[FS:PAGE]一剎那，教室里的同學(xué)們像提前知道老 師要來一樣，迅速整好書桌，回到自己的座位認(rèn)真學(xué)習(xí)，速度之快，以至于老師只看到同學(xué)們在努力學(xué)習(xí)的樣子。老師看到大家認(rèn)真學(xué)習(xí)的樣子很是高興，轉(zhuǎn)身離開。走到一半，老師放心不下，又回去看了一眼，教室依舊非常寧靜祥和，同學(xué)們依然在刻苦用功地學(xué)習(xí)。老師欣慰地點(diǎn)了點(diǎn)頭，滿意地回到了辦公室。然而，在確認(rèn)老師離開后，調(diào)皮的學(xué)生們又重新開始了教室狂歡。
量子糾纏與量子通信
目前我們已經(jīng)知道，對于一個量子系統(tǒng)，如果檢測，就會“坍縮”到其中一個基本態(tài)。接下來，我們要講述量子力學(xué)更為神奇的一個概念，量子糾纏。
是不是聽名字總感覺在某些科幻電影里面見過？的確，“量子糾纏”是屬于未來的科技。關(guān)于它的理論構(gòu)建與應(yīng)用是目前很多從事量子力學(xué)的科學(xué)家們正在研究的課題。
量子力學(xué)允許兩個量子態(tài)以某種形式產(chǎn)生“糾纏”，所謂“糾纏”。是指兩個量子態(tài)雖然分開，但是仍存在著一些聯(lián)系。對于處于糾纏態(tài)的兩個粒子A與B，我們將它們分開，這時，如果我們對A進(jìn)行測量，根據(jù)之前所說的，A將坍縮。但緊接著，B似乎感受到了A的行為，同時發(fā)生坍縮。我們有理由相信，兩個粒子通過某種方式，進(jìn)行了某些信息上的交流。糾纏概念最先由愛因斯坦、波多爾斯基、羅森三人提出的（糾纏態(tài)也叫做EPR態(tài)，取三位的首字母）。隨著科技的進(jìn)步，人們漸漸發(fā)現(xiàn)了量子糾纏蘊(yùn)藏著巨大的前景。
試想，A、B兩地放著一對相互糾纏的量子系統(tǒng)，那么理論上，A可以通過對這個量子系統(tǒng)的作用，將一定的信息傳到與之相糾纏的B處。如果能夠?qū)崿F(xiàn)這種“量子通信”，那么它將實(shí)現(xiàn)絕對保密通信。
目前我們使用的保密通信一般是建立在計(jì)算復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，不斷提高計(jì)算復(fù)雜度使得破解方面對龐大的計(jì)算束手無策，但終究存在理論上的破解可能。但是量子通訊從理論上杜絕了破解信息的可能行（至少目前沒有任何辦法），這足以讓通信保密領(lǐng)域的專家激動到睡不著覺。但是量子通訊仍然處在理論階段，要想真正應(yīng)用到生活當(dāng)中，不論是技術(shù)還是理論，都由很長的一段路要走。值得一提的是，我國科學(xué)家在量子通信的領(lǐng)域取得了不錯的成果，躋身世界前列。我國發(fā)射的“墨子號”就是世界上首顆量子衛(wèi)星，用來驗(yàn)證能否利用量子通信的原理，實(shí)現(xiàn)天地間的通信。在這里我們也祝愿中國的科學(xué)家們再接再厲，讓中國成為量子通信領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。
關(guān)于量子糾纏，至今還有很多未解的謎題。我們?nèi)匀徊磺宄@兩個粒子是怎樣互通消息的，科學(xué)家們正在想辦法搞清楚這個問題。兩個粒子間的信息傳遞速度也是讓科學(xué)家疑惑的地方，因?yàn)樗坪跤谐焦馑俚目赡堋Ｎ覀冎钡剑鄬φ摳嬖V我們，任何物體或者信息是不能超過光速的，但是如果實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了兩個相互糾纏的粒子間信息的交換確實(shí)可以超光速，那么將是物理學(xué)界的一場翻天覆地的革命。正因如此，愛因斯坦將其稱之為“幽靈般的遠(yuǎn)程效應(yīng)”。
科學(xué)的革新給生活帶來質(zhì)的飛躍
科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。回望歷史，每一次技術(shù)的革命，都帶來人民生活質(zhì)的飛躍。從蒸汽到電氣，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與我們的生活息息相關(guān)。
如今我們正處在科技的瓶頸期，很多科技的發(fā)展都遇到或多或少的困難。因此我們亟需一些新的理論知識與技術(shù)來突破瓶頸，而量子力學(xué)可能是個最大的突破點(diǎn)。現(xiàn)如今，量子通信正在蓬勃發(fā)展，量子計(jì)算機(jī)也處在萌芽階段。我們已經(jīng)無法將量子力學(xué)束之高閣，不知不覺地，量子力學(xué)已經(jīng)走到了我們身邊。