量子物理：看似荒谬的科学定律
在微观世界中，那些最微小物质的运动完全称得上是稀奇古怪。这一事实自一个多世纪前便为人所知，而现在人们正在探索将它们应用于现实生活中。世界正在进入第二次量子革命。
所有存在的物质都由分子组成，包括你、我、呼吸的空气、树叶、我的自行车、你的狗、木星或是你眼前的显示屏。分子由原子构成，原子本身则由质子、中子和电子组成。我们可以用非常小的尺度(大约是10-18米)观察到这些粒子，这些”颗粒”的行为模式与它们所构成的物质差异很大。
电子或光子(光的微小粒子)能够同时穿过两个孔，能够同时存在于多个地方，还能在同一时间朝不同方向旋转。更奇怪的是，粒子之间似乎还能实现超光速通信，甚至可以远程传送！
1922年的诺贝尔物理学奖得主、足球队守门员、量子理论缔造者尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)曾说过：“如果你不为量子论感到困惑，那你就是没有理解量子论”。
从未有人亲眼见过和电子一样微小的物质，人类又是如何在很久以前就发现量子的呢？
物理学家、曲棍球运动员、新瑞士量子委员会主任、量子力学科普作家尼古拉斯·吉辛(Nicolas Gisin)表示：”这体现了人类智慧的惊人力量，成功将数学结构与对自然的观察结合起来。”
在19世纪末，当时的物理学家确信他们已经发现了物质的最后秘密，认为物理理论已接近最后完成。但当时仍然存在经典物理学无法解释的现象，例如物体加热温度变化时颜色的变化规律。根据经典物理学的理论，如果用火焰喷枪加热金属，发出的光的颜色先是红色，再变为黄色，然后变成白色，随着温度不断升高，最后应该会发出大量肉眼无法看见的紫外光，也就是不可见光。但这一理论与实际情况相违背，实际上此时发出的紫外光远远达不到经典物理学理论所推算的辐射强度。
通过研究这一怪异现象，1918年诺贝尔物理学奖得主、钢琴家、柏林洪堡大学教授马克斯·普朗克(Max Planck)成为了量子力学的创始人。1900年，普朗克意外地发现，如果假设能量(光也是能量的一种形式)的发射过程并非连续不断，而是一份一份地发出，每一份都由他称为“量子”的最小单位组成，他就能推导出解释这一怪异现象的公式。这就好比水的流动不是连续不断的，而是由一个个小水滴组成。
1921年的诺贝尔物理学奖得主、小提琴家爱因斯坦(Albert Einstein)此时还在瑞士伯尔尼专利局工作，他利用普朗克的假设于1905年提出了光电效应理论。该理论认为，光并非此前人们以为的连续不断的波，而是一束粒子，这些粒子就是后来被称作“光子”的量子。
>> 《量子革命》——这部时长25分钟的纪录片介绍了量子物理的主要创始人，由法国政府高等教育和研究机构视听服务平台Canal U制作。(法)
那么，光是波还是一束粒子呢？
光既是波也是粒子。但我们也可以说，光既不是波也不是粒子。20世纪初的第二代物理学家——尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)、路易斯·德布罗意(Louis de Broglie)、保罗·狄拉克(Paul Dirac)、欧文·薛定谔(Erwin Schrödinger)、沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)和维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)，这些诺贝尔奖得主都证明了光子、电子和其他粒子同时具有波和粒子的特性。这一怪异的发现让海森堡不禁发问：“大自然真的有这么荒谬吗？”
著名的薛定谔的猫又是怎么一回事呢？一只关在笼子里的猫竟然可以处于既是死又是生的状态，只有打开笼子才能确认猫究竟是死是活。这其实是物理学家薛定谔在1935年提出的思想实验，意在说明量子世界是基于概率的。也就是说，薛定谔的猫必须是一个粒子而不是一个由几十亿个原子组成的生物，这个实验才有可能实现。
和爱因斯坦以及早年的普朗克一样，起初薛定谔研究量子物理只是为了找到其中的漏洞，但他最终成为了这一理论的忠实拥趸。爱因斯坦则始终对量子物理抱持怀疑态度，因为这个理论的随机性太大，而且是以概率和统计为基础。对他来说，宇宙是能够被完全理解的，正如他1927年对玻尔说的那句名言：“上帝不掷骰子”。
随机性VS决定论，普朗克VS爱因斯坦：孰是孰非？第一次量子革命因谁而起？
答案是普朗克。在普朗克之后，创立了哥本哈根学派的玻尔和他的追随者们进一步对量子物理展开研究。虽然量子理论对玻尔的学生而言既晦涩难懂，又要求他们彻底抛弃此前所学，但这个理论从未被证伪。
它帮助我们理解原子的行为模式以及原子如何结合形成分子，这为后来化学和生物学飞速发展奠定了坚实基础。也正是得益于量子力学的技术应用，我们才能够控制粒子(电子或光子)，发明出激光、收音机、电视机、电脑和手机。这些20世纪下半叶的发明都是基于量子技术。
第二次量子革命将带来什么？
2022年，诺贝尔物理学奖再次颁发给量子物理学家。阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·蔡林格都是研究量子纠缠的专家。
这是粒子最令人困惑的性质之一。当它们中的两个纠缠在一起时，其中一个量子状态发生改变，另一个的状态会发生相应改变。即使它们相隔一个银河系的距离，这种改变也可以瞬间完成！吉辛教授曾于2008年在日内瓦大学做过一个量子态远程传输的实验。他在实验完成后表示：“这仍是一个绝对的谜团，控制量子纠缠态的一定是超越时空的因素。”
远程传输？没错。我们在20多年前就进入了第二次量子革命，不再局限于操纵电子或光子的流动，而是去单独操纵一个个粒子（甚至还能操纵原子）。量子密码学和其它的“基础”应用已经步入日常生活，但量子物理技术应用的巅峰之作始终是著名的量子计算机。通过利用量子的特殊性质，量子计算机理论上的计算能力远超经典计算机。
量子计算机的运行原理非常复杂，它的作用包括但不限于加快药物和材料研发的建模过程、优化配电网络、改进电化学电池或太阳能电池、理解光合作用机制等。
量子计算已经出现在公众的视野中很久了。它距离商业化还有多远？
可能永远也实现不了，因为制造这样一台机器需要克服许多复杂的技术难题。
在量子计算处理器中，量子信息存储在粒子上，这些粒子被称为量子比特。但量子比特极不稳定，错误率很高，只有不受到振动、电场、磁场和光源等外部因素影响时才能正常运行。量子计算机还必须保存在超低温冷冻设备中。这是因为它的理想工作温度接近绝对零度(-273°C)，我们只有在超低温环境下才能有效“控制”量子比特，确保它的稳定性。
尽管量子计算机的研发存在这些技术难题，但所有主要大国的相关投入都高达数十亿美元。这一科技领域备受关注，也是科技巨头(IBM、英特尔、霍尼韦尔等)以及电商巨头(亚马逊、阿里巴巴)的投资重点。
相较于研发量子计算机的台式机版本(做成笔记本电脑则纯粹是科幻小说的想象)，更合理的思路是将量子计算机处理器存放在专门场所中，人们则通过互联网对其进行远程访问。要知道，量子计算机的运算能力对我们平时在电脑上执行的绝大多数任务没有任何帮助，例如输入文本、发送电子邮件、编辑照片视频和浏览网页，只有那些特别复杂或专业性极强的运算操作才能发挥量子计算机的作用。
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(译自法语：瑞士资讯中文部)
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