拋棄宏觀世界的一切“常識(shí)”，掙脫由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)筑的枷鎖，保持“腦洞大開”的狀態(tài)，文科生也要“咬牙堅(jiān)持”，相信我，這一次你會(huì)發(fā)現(xiàn)量子通信，原來(lái)如此！

　　1月8日，2015年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)被頒給了這樣一個(gè)項(xiàng)目：“多光子糾纏及干涉度量”。該項(xiàng)目由中國(guó)科技大學(xué)潘建偉院士帶隊(duì)，彭承志、陳宇翱、陸朝陽(yáng)、陳增兵共同完成。

　　獎(jiǎng)項(xiàng)頒出后，各類科普文章紛紛出爐。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，多光子糾纏及干涉度量就是根據(jù)量子物理原理提供的一種全新方式，對(duì)信息進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)、傳輸和邏輯操作，并對(duì)光子、原子等微觀粒子進(jìn)行精確操縱，以確保通信安全和提升計(jì)算速度等方面可以突破經(jīng)典信息技術(shù)的瓶頸。

　　但是要真正理解這段話，并不容易。第一個(gè)問題就是，量子物理原理是什么？

　　在推開神奇量子世界的大門前，你需要輕裝上陣：拋棄掉你在宏觀世界所獲得的一切“常識(shí)”，掙脫掉那些由傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)筑的枷鎖，保持“腦洞大開”的狀態(tài)，并隨時(shí)準(zhǔn)備接受各種“這怎么可能？”

　　然后，開始吧。

　　第一站 波粒二象性——看與不看很重要

　　量子，是能量的最小單位。中國(guó)科技大學(xué)近代物理教授陳宇翱說(shuō)過(guò)，微觀粒子都是量子，我們?cè)诔踔谢瘜W(xué)書上接觸過(guò)的原子、電子和光子，均屬量子大家庭�？梢哉f(shuō)，整個(gè)世界，都是由量子組成的。不過(guò)，由于量子太小了，對(duì)絕大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，它是“最熟悉的陌生人”。

　　微觀粒子，有個(gè)神奇的屬性，叫作波粒二象性。

　　雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。想象一下，你手中有一臺(tái)電子發(fā)射器，面前擺著一個(gè)開了兩條縫隙的隔板，隔板后放置了一塊屏幕。當(dāng)你打出的電子足夠多，屏幕上應(yīng)該出現(xiàn)什么景象？

　　如果電子是粒子，那么屏幕上應(yīng)該出現(xiàn)兩條條紋——電子隨機(jī)選擇穿過(guò)兩條縫隙中的哪一條，并在屏幕上留下痕跡。然而，現(xiàn)實(shí)情況卻是，屏幕上留下了明暗相間的多條“干涉條紋”。研究這些條紋的分布后，人們驚訝地發(fā)現(xiàn)，光子似乎在穿過(guò)縫隙時(shí)，具有某種“波”的特性。也就是說(shuō)，它并非在兩條縫隙中選擇了一條穿過(guò)，而是以“波”的形式，同時(shí)穿過(guò)了兩條縫隙，并且自己與自己發(fā)生了干涉——如果一條波的波峰恰好遇到另一條波的波谷，亮度剛好抵消掉，形成了屏幕上的“暗處”。

　　但是，電子又明明白白展現(xiàn)出粒子的特性。當(dāng)我們逐個(gè)發(fā)射電子時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，電子穿過(guò)隔板縫隙后，會(huì)在感應(yīng)屏上的某個(gè)位置打出一個(gè)亮點(diǎn)。只是它的分布符合干涉條紋的分布規(guī)律：落在亮區(qū)的概率高，落在暗區(qū)的概率低。

　　為什么？科學(xué)家給出了一個(gè)大膽的解釋：在撞上感應(yīng)屏之前，無(wú)人干擾，電子確實(shí)以波的方式，穿過(guò)了兩道狹縫；但一旦它撞上了感應(yīng)屏，波函數(shù)立刻坍縮成為一個(gè)點(diǎn)。

　　感應(yīng)屏在這里，扮演了“觀測(cè)者”的角色。換個(gè)說(shuō)法——電子呈現(xiàn)出什么狀態(tài)，取決于“觀測(cè)”。

　　觀測(cè)很重要嗎？左看右看上看下看，那個(gè)女孩都不簡(jiǎn)單��？可是在微觀的粒子世界，任何一種介入，都會(huì)對(duì)測(cè)量對(duì)象產(chǎn)生致命干擾。你永遠(yuǎn)無(wú)法得到一個(gè)粒子的全部信息——當(dāng)你知道了它的位置，它的速度也因?yàn)槟愕摹爸馈倍l(fā)生了改變——這也是鼎鼎有名的“不確定性”原理。