量子知识”十问十答“

量子力学：用简单明了的动画来解释复杂难懂的量子物理学

http://www.365yg.com/a6671887476279214600/#mid=1612759174447117

什么是量子？

量子(Quantum)是现代物理学的重要概念，由普朗克于1990年首次提出的，经过德布罗意、费曼等科学家经过多年实验研究所证实的。通俗地说，量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元。[1]

相对论与量子论

目前，尽管量子论已经得到了巨大的应用，但相对于赫赫声名的相对论，量子论似乎还是显得“默默无闻”。量子论是凭着它神奇的力量和越来越多、越来越神奇的应用赢得人们的“青睐”的。尽管如此，我们还是对量子论知之甚少。

针对量子论中的“不确性原理”，爱因斯坦设计了一个被称为EPR的佯谬，并有句广为人知的名言：“上帝不会掷骰子”。

“上帝会不会掷骰子”这个问题早在在1997年的试验中就已经棺成定论。实验结果与量子论的预言相符，爱因斯坦输了！霍金在谈到“黑洞”吞噬一切的特性时，还拿这句话开涮:“上帝不仅掷骰子，还会把骰子投到人看不到的地方。”[3]

量子有多大？

纳米是头发丝的20万分之一，量子是纳米的10亿分之一。如果细胞是一个地球，那量子就是细胞上的一滴水，能够快速进入细胞；量子每秒上亿次的谐振能消除各种有害物质：包括血栓、疾病、农药残留、转基因。

“量子”与“经典”的区别。

经典世界的特点是物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的：晶体管要么导通，要么关闭，完全确定。即经典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。但量子世界中，客体的物理量则是不确定的、概率性的，而且这种不确定性与实验技术无关，是量子世界的本质特征，无法消除。这个特征体现在量子力学中重要的量子态叠加原理上。

量子医学是什么？

就是建立在量子力学原理的基础上，结合了量子生物学、量子药理学和生命信息学，利用微观状态的电子波动、辐射、能量等形式，对机体进行系统并全面的预防、调节、诊断、治疗、康复的学科。是区别于中西医的一种平衡健康与疾病的微观新型医学。

量子技术在健康医疗领域主要应用。

·健康普查和疑难病筛选：准确探知、查找、测定存在人体潜在性疾病；发现早期癌症、糖尿病、心脑血管等各种疾病和潜伏隐患，适合健康普查和疑难病筛选；

·心理状态评估：情绪、压力；

·药物筛选：鉴定各类药物和食物的成分及功效，筛选有效药物；

·人体自动治疗：解毒、过敏治疗；本草频率共振处方；营养素均衡处方；抗衰老等多种方案。

量子共振检测仪的检测原理

量子共振检测仪是测定生物及物质中的微高斯一毫高斯磁场仪，首先把检查项目的标准波形按代码形式输入量子共振检测仪，以这种标准波形代码为钓针，将相对应的生物体或物质发出合成波钓出，再与标准波形比较，来判断生物体或物质的波形是否变得混乱。两个波长相同的波相遇时会发生共振，两个波长不同的波相遇时不会发生共振。

人体头发、体液及皮肤等都处在生命磁场中，能体现各种生命信息的活动和改变，故可用头发、体液及皮肤(接触测量)等方式应用于量子共振检测。[2]

量子医学相关报道。

美国《科学》杂志报道：量子医学是种不依赖任何药物和营养物质，而是利用物质所产生的印记频率所转化的生物信息，激发人体自愈系统以及肌体自我修复能力，达到安全、迅速、自然、温和的根治疾病，逆转衰老，达到不治而愈的效果，并且可以改善传统医学无法根治的疾病。量子医学以自然疗法和顺势疗法的方式，诱导 A体细胞核内的电子运动，产生微弱磁场使人体自身的细胞维持着一种动态平衡。

量子医学与西医的区别。

西医：注重有病再治，而量子医学强调未病先'知'(治)。西医也被称为现代医学，其原理在于有瘸再治，也就是疾病的外在特征出现后：再进行相应药物治疗，俗话说是药三分毒，说的就是西药从而会造成治疗好某个疾病会产生其他病症，如控制血糖的药物伤肝伤肾。

量子医学：“防+治”以量子生物物理学基础，依据生物自然活性物质反息和印记频率，转化为生物电磁平衡身体磁场，使细胞新陈代谢从而达到调节、诱导、平衡机体本身免疫机能以及排毒功能，人类在不使用药物的作用下，提防、改善疾病。

量子检测仪有辐射吗？

量子检测仪是没有辐射的，量子检测仪通过接触测量来收集人体微弱磁场的频率和能量，经仪器放大、计算机处理后与标准量子共振谱进行对比，根据分析结果对被测者的健康状况和主要问题做出分析判断，并提出规范的防治建议。

参考文献

1. https://baike.baidu.com/item/%E9%87%8F%E5%AD%90/135660?fr=aladdin

2. https://wenku.baidu.com/view/bc83f81659eef8c75fbfb3ee.html

3.https://baike.baidu.com/item/%E9%87%8F%E5%AD%90%E8%AE%BA/81380?fr=aladdin

部分文字及图片来自网络

十个问题，带你认识量子力学

原创 原理 2017-01-05 11:55:57

If quantum mechanics hasn’t profoundly shocked you, you haven’t understood it yet.

——Niels Bohr

如果你对量子力学的概念感到困惑，不要慌，我相信你并不是唯一的一个。正如物理学家费恩曼所说的：“我想我可以有把握地说，没有人理解量子力学。”

然而，量子理论却渗透到我们生活的方方面面，它描述了我们生活的这个世界是如何运作的。例如，我们每天沐浴在太阳光之中，你可曾思考过为什么太阳会发光？如果你不懂量子力学，就无法理解其中的奥妙。

下面，通过十个问题，我尽量用最简洁的语言带领读者理解量子力学背后的基本思想。

1. 什么是量子力学？

千年以来，科学家一直在追问一个最基本的问题：物质是由什么构成的？现在我们知道所有的物质都是由电子和夸克构成的，它们都是基本粒子。所谓的基本粒子是指它们不能由更小的粒子构成。正是这些基本粒子组成了原子，比如氢和氧，以及分子，比如H₂O。

△ 原子：由电子和原子核构成。原子核由质子和中子组成，而这两者又分别由夸克组成。

原子和分子是构成这个世界的乐高积木。为了理解这个微观世界是如何运作的，科学家就需要运用量子理论。

这个理论有许多非常诡异的预言（比如粒子可以同时处于两个不同的地方），但它同时是物理学中最经得起考验的理论之一。

它是支撑我们身边见到的科技的基础，包括你现在正在使用的手机中的芯片，也是智能手机之所以智能的原因。

它很奇怪，但它是对的，而且非常重要。

2. 等等，说了半天，“量子”究竟是什么意思？

你拿着一罐花生酱走到厨房中，你可以决定把它放到操作台面，或着台面上架子的某一层。但你不能把花生酱放在架子的层与层之间。在物理学上，厨房的架子的层就是所谓的“量子化”。意味着它们是有级别的。

△ 氢原子中，电子可以在不同能级中跃迁。（© John Willey）

在量子世界，所有的东西划分成不同的级别。举个例子，原子中的一个电子可以处于其中众多“能级”中的一个，能级就像厨房中的架子上的不同层。在量子世界中，只要用正好的能量将电子踢一下，它就会立马从一个能级跳到另一个能级。这叫做量子跃迁。

举一个你或许更熟悉的例子，如果你现在驾驶的是一辆量子车，你可以以5公里/小时，10公里/小时，30公里/小时的速度驾驶，但不会在它们之间。也就是说当你换档的时候，车子的速度会立马从5公里/小时跳到20公里/小时。这个改变是瞬时的，所以你甚至不会感受到加速。这又是另一个量子跃迁。

3. 经常听到经典力学和量子力学，它们的区别是？

微观世界所服从的一套规则跟我们习惯的“经典”世界非常不同。物理学家所谓的“经典”相对于“常识”，也就是某些东西的行为方式跟你日常经验中所预期的一样。

△ 红色区域代表量子谐振子的概率密度，蓝色曲线则表示经典概率分布。在这个情况中量子数n=0.

一个台球就是一个“经典物体”（它在桌子上会直线的滚动），但是一个单独的原子则服从量子规则（很容易在绿色的桌面随时消失）。

△ 量子数n=50。随着量子数的增加，量子效应逐渐消失，越来越向经典靠近。（© Wolfram）

当有足够多的原子结合在一起，奇怪的量子效应就会逐渐消失，它的行为又变得经典了。这就是玻尔的“对应原理”。

4. 什么是海森堡不确定性原理？

在量子物理中，有一些东西基本上是不可知的。例如，你不可能同时知道一个电子在哪里以及它要去哪里。也就是说，不可能同时精确地确定一个粒子的位置和速度，这就是海森堡不确定性原理。

△ 我们永远无法同时知道粒子的位置和速度。（© Chad Orzel）

理解这个原理的其中一个方式是通过相关的观测效应——对一个系统进行测量时如何改变其结果。举个例子，为了找出电子在哪里，你必须用某些东西（比如组成光的光子）来探测它。但是，为了探测电子的位置，光子又会改变电子的运动方向。虽然电子告诉了你它的位置，但却不知道它接下来要去哪里。

△ 粒子动量的不确定 × 位置的不确定性 不小于 二分之一 × 约化普朗克常数。

但是，不确定性的来源事实上更加深入以及令人惊讶。不确定性原理之所以存在是因为宇宙中的万物都同时表现的像波和粒子。这就是所谓的波粒二象性。

△ 所有的东西像粒子，又像波。（© Chad Orzel）

事实上，不确定性原理揭示了自然的内在模糊性。

5. 什么是波函数？

量子力学的核心方程是薛定谔方程，它就好比是牛顿第二定律在经典力学中的位置。它看起来是这样的：

△ 薛定谔方程。方程中的H是哈密顿量，为系统的动能和势能之和。（© Ian Stewart）

该方程的解即为波函数 Ψ(x,y,z,t)，括号中的x,y,z代表三维的情形 。量子波函数可以有许多可能的解。令人称奇的是不同的可能解看起来可以相互作用，形成处于中间或不定的状态，称为叠加态。好像它们结合在一起才能正确的描述我们宇宙的现实。

6. 可不可以多解释一下什么是叠加态？好像跟一只猫有关？

试想一下，将一只猫关在一个盒子里，并装有一小瓶的氰化物。在瓶子上有一根用弦吊住的锤子。如果有一个随机的量子事件发生（比如，铀原子的衰变），就出使锤子落下打碎装有氰化物的瓶子。

1935年，奥地利物理学家薛定谔提出了这个思想实验来传达叠加态的概念。

△ 薛定谔猫的思想实验。（© Wikipedia）

原子的衰变服从量子定律，因此它的波函数有两个解：衰变和不衰变。如果铀发生衰变，就会打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果铀不发生衰变，猫就存活。

从量子力学的角度来看，在我们打开盒子之前，放射性的铀处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫处于生或死的叠加态，这就是所谓“薛定谔猫”。

7. 前段时间中国发射的量子卫星也一直提到了“纠缠”这个词，那究竟什么是纠缠？

纠缠是指两个粒子（比如光子）间的联系，当你对其中一个进行测量，会立即对另一个产生影响，无论它们相距多远。

△ 量子纠缠，只要对其中一个粒子进行观测，你就立即可以知道另一个粒子的状态，尽管它们可能在宇宙的两端

打个比方，现在我的双手各有一颗不同颜色的弹珠，我把双手伸到身后随意交换弹珠。从你的观点来看，这两个弹珠是“纠缠”的，如果红色的弹珠在我的左手，这意味着蓝色的就在我的右手。

但是在量子的情况下这更加神秘，因为弹珠是没有确定的颜色的，它们可以是红色和蓝色的概率是一样的，完全是随机的。

奇怪的是，当你看到其中一颗弹珠的时候，就抹杀了这种随机性。不单单是你看的那颗，而是两颗。如果你看到一个红色的弹珠，你就知道另一个是蓝色。

因此，一个纠缠的粒子会立即影响另一个，无论相隔多远。爱因斯坦认为这违反了相对论所限制的宇宙的速度极限（光速），因此将纠缠标签为“鬼魅般的超距作用”。

8. 那物理学家是怎么让光子纠缠的？

有几种不同的方法。其中一种是将一个高能的光子分裂成两个低能的“子光子”。就像是两个完全一样的双胞胎，它们之间拥有着神秘的联系。

另一种方法是让两个光子通过迷宫般的镜子，所以你就无法知道它们会在哪个方向传播。这个“不可知性”就创造了纠缠。

9. 量子力学中有没有什么著名的实验？

量子力学中最著名的实验我想莫过于双缝实验。实验的设置很简单：把粒子（通常是电子或光子）打向一面有双缝的屏幕，在双缝后面还有个探测屏幕。

这个实验之所以出名是因为它描述了上面我们提到的许多奇怪现象。

我们首先在水中进行双缝实验。很简单，你只要用手指在水中滑动就可以制造出波。这些波通过双缝的时候会相互干涉，形成显著的干涉条纹。这是波的行为。

现在，把实验从水中挪出，用子弹射向双缝。你在屏幕后看到的是两条并排堆积而成的子弹，而不是干涉图案。这是粒子的行为。

精彩的来了，如果你把电子射向双缝，会发生什么？如果你预期电子是粒子，那么你在探测屏幕看到的情形就跟子弹的一样。但事实呢？

△ 著名的双缝实验。(© NewScientist）

我们看到电子会在探测屏幕产生干涉图案，就好像每个电子都同时通过双缝一样，并且相互干涉。这似乎暗示着电子是波。

由于电子是量子物体，我们无法知道它的位置（海森堡不确定性原理）。电子有一定的概率会通过其中一条狭缝，有一定的概率会通过另一条。由于通过两条缝的概率是一样的，它事实上同时通过两条狭缝（叠加态）。

电子的行为又像粒子又像波，这种所谓的波粒二象性简直让人抓狂，但又让人着迷。现在你可能会开始思考，难道我们不可以想方设法知道电子是通过哪条狭缝吗？

△ A：不观测电子通过哪条狭缝的情况下，会在探测屏上形成干涉条纹。B: 一旦进行观测，干涉条纹就会消

当然可以，我们可以在某处放一个光源，监测电子是从哪条狭缝通过。但是，一旦这么做，我们会发现原先的干涉图案就立马消失了！！！

也就是说，一旦进行观测，波函数就“坍缩”了。

由于你知道了电子通过哪条缝，它就不再处于叠加态，所以它只通过了其中一条。电子的波的行为就消失了，它表现就如同子弹般。

如果你现在感受脑子不好使了，这很正常，因为物理学家也绞尽脑汁的想要解释这看起来显而易见的悖论。

10. 物理学家对此有什么解释吗？

记得我刚接触量子力学的时候，我对许多现象都无法理解。为了消除我脑海里的疑问我不停的向教授提问。当然，教授通常的建议是：“先不要问，只要懂得计算就行”。一旦我采纳了这个建议，个人的经验发现量子力学要比经典力学容易的多。但这并不是一个正确的态度。的确也有许多物理学家只对答案有兴趣，而拒绝去思考到底发生了什么。

其实一旦你去思考这背后的原理的时候，你就会发现量子力学的无穷魅力。下面我简单的列出三个对量子力学的精彩诠释：

△ 哥本哈根诠释。（© Quanta）

哥本哈根诠释则认为，在观测之前，电子是没有确定的位置的。每个电子都像波一样分散开来，同时穿过两条狭缝，它们相互干涉在探测屏上产生了明暗条纹。但只要观测者试图知道电子是从哪条缝通过时，该观测瞬间将电子的位置“坍缩”至一个点，破坏了干涉的发生。也就是说，观测会导致波函数的坍缩。

△ 多世界诠释。(© Max Tegmark）

多世界诠释认为，当我们对一个系统进行观测时会分离出无数个平行宇宙，每一个都是波函数的一个可能解，而我们只是在其中一个特定宇宙。例如，在上图中，有一个异性跟你搭讪，你的回答会产生两个不同的结果，要么各自继续做单身狗，要么愉快的结婚生子。

△ 导航波理论。（© Quanta）

德布罗意-玻姆理论，又称为导航波理论，在玻姆力学中，量子物体被当做是经典粒子，电子始终拥有确定的位置，即使该位置无法被观测者察觉。该电子的位置会受到“导航波”推动的影响。一个电子只能穿过一条狭缝，但导航波同时穿过两条狭缝。导航波的干涉带来了探测屏幕上的干涉图案。在狭缝的测量会导致导航波的“坍缩”，因此就可以知道电子的路径了。

至此，通过这些基础的了解，希望你开始对量子力学产生一定的兴趣。或许可以尝试阅读《量子力学的核心——薛定谔方程》，也可以阅读曹天元的著作《上帝掷骰子吗：量子物理学史话》，当然，如果想掌握量子力学这门学科可以从《费恩曼物理学讲义》（第三卷）开始。

真正量子产品”十问十答“

金雨堂为爱而生 2017-12-26 09:41:04

20世纪至今，90%的诺贝尔物理学奖获得者都是在量子科学领域做出了出色的贡献，而量子技术在健康领域的应用对世界的影响将更为突出，量子医学将掀起第三医学的高潮！

第一：传统医学

第二：现代医学

第三：量子医学

1、什么叫量子？

在微观领域中，某些物理量的变化是以最小的单位跳跃式进行的，而不是连续的，这个最小的单位叫做量子。

2、量子有多小？

量子是目前物理界中已知最小的单位了，1纳米等于10负9次方米，而一个量子的大小是10的负15次方米。如果把纳米比作一个地球，那么量子就是地球上的一滴露水。

3、量子有什么特性？

微粒性，量子是已经物理界中小的的单位，可以轻松的进入人体细胞膜通道以及人的血脑屏障。 高频共振特性，量子每秒钟可以达到上亿次的高频震动，并和人体的体液以及细胞核外电子产生共振，达到剥离人体细胞毒素。

4、量子技术人类研究了多长时间？

量子技术的研究人类已经研究了一个世纪多的研究，从1900普朗克第一次提出了量子的概念，再到后来爱因斯坦提出光量子的概念，2016年两会上中国科学院院士潘建伟提出了量子“京沪新干线”的理论。量子科技再一次更多的科学家认可，并更多的用于军用，民用以及人类健康上。

5、量子在世界上的地位?

量子作为一个全新被人类所认可的技术，目前在中国、美国、日本、德国等国家都被用在民用技术中，在全世界，也就是这4个国家拥有量子处理设备。

6、量子在医学中的地位？

过去时候人类是以中国中医为主，而现代，人类的医疗主要途径还是西方医学，西方医学在人类健康中同样有很大的作用，但一直解决不了问题就是头疼医头，脚疼治脚的现象，并且药物对人体的副作用伤害是不容小视的，2001年，中科院院士吴阶平院士提出了：发展量子医学，造福人类健康的口号。量子医学对从机体细胞出发，修复还原机体本身细胞的能量场，是从细胞出发的，并且不吃药，不打针来改善机体的慢性疾病，在不久的将来，量子医学将被广泛的认可，并且量子医学被称为第三大医学。

7、量子能量和过去的能量产品有什么区别？

过去的能量产品采用的都是远红外原理，通过远红外来和体内的水共振，效果相对于量子能量产品来说不是特别的明显，而量子是基于远红外产品之上的一种东西，它能和体内70%的水产生共振，再通过新陈代谢排除体内毒素。所以一般的远红外产品和量子产品没有什么可比性的。

8、什么是量子能量产品？

量子产品是对一种带有功能性的东西植入了量子能量，让其具备量子能，远红外，负离子等功能。

9、量子产品辐射的问题？

量子产品是一种能量产品，本身不带电，所以不存在任何电磁波辐射，而且反而它还能把原本对我们伤害极大的手机、电脑等电磁辐射转换成对我们人体有益的共振能量波！一般的能量产品使用的是远红外作用，能量场不稳定，碰到手机辐射后，机体能量场场会被打乱，从而失去功能，而我们植入后的量子能量具有很强稳定能量场的作用，不会受任何电磁辐射的影响，所以使用量子产品时候，不会因为外界干扰而失去作用。

10、量子产品适合什么人群使用？

量子产品适用于所有亚健康人群，当然适用所有想要身体素质更健康者！现在人类不管从小孩到老年人，不管男女都是处在能量场缺失的环境中，辐射场不管对小孩还是老人的影响是不容忽视的，小孩佩戴能量产品能增加抵抗力，不容易生病，中年佩戴能量产品后能缓解工作压力，改善失眠等症状，对长期上班族看电脑，玩手机引起的颈椎病有着明显的改善作用，提高工作效率，老年人佩戴后可以增加身体平衡性，不容易摔跤，失眠等方面有着明显的改善，对慢性疾病通过不吃药，不打针，都可以改善以及预防的作用。量子产品对人体没有任何危害。

量子究竟是什么？

作者：郭光灿 (中国科学技术大学)

序言

我在20 世纪80 年代初期开始致力于量子光学研究，90 年代初又扩展到刚刚萌芽的量子信息领域。当时国内学术界对量子信息领域的研究呈现出相当冰冷的状态，民众更是将量子力学视为高悬在学术殿堂之上的圣物，敬而远之。

近几年来，随着量子信息的飞速发展，加上媒体的大力渲染，“量子”已成为人们津津乐道的话题，有的甚至将“量子现象”描绘得神秘无比，仿佛世界上所有难以解决的事情都可归结到“量子纠缠”上。个别学者不实的夸大宣传，部分媒体的不断炒作，造成当前关于“量子世界”形形色色的奇谈怪论，引发各界激烈的争论。

究竟量子力学能为人类提供什么真实有用的技术？目前宣传的量子现象，哪些是科学的预言，哪些是杜撰出来的虚无之物？在学术界朋友的催促下，我将媒体种种议论汇聚为十个问题，谈谈个人的看法。毕竟量子世界奇妙无比，没人敢断言已完全参透了量子世界的真髓。“量子十问”系列科普短文只不过是一孔之见，供读者参详、争论。

我要感谢中科院量子信息重点实验室的周正威、孙方稳、李海欧、周宗权等师生的通力协助，才能在较短时间内撰写好这一系列科普文章。

1900 年，普朗克首次提出量子概念，用来解决困惑物理界的“紫外灾难”问题。

普朗克假定，光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的，而是一份一份的，一份“能量”就是所谓量子。从此“量子论”宣告诞生。

然而当时的物理界，包括普朗克本人，都讨厌“量子”这个怪物，千方百计想要将它消化在经典物理的世界之中，但却屡试不果。唯有爱因斯坦独具慧眼，他认为光辐射不仅在于与物质相互作用时的能量是一份一份的，光辐射的能量，本身就是“量子化”的，一份能量就是光能量的最小单元，后来称之为“光量子”，或简称“光子”。

法国年轻的博士生德布罗意在爱因斯坦“光子”概念的启发下提出：既然看似波动的光辐射，具有“粒子”特性，那么像电子这类看似“粒子”的物质，也应具有波动性。这就是“德布罗意物质波”的概念，由此引发后继大量理论与实验研究，证实所有微观粒子都同时具有波动性和粒子性二象性。这些奇异特性的微观粒子构成“ 量子世界”，遵从量子力学的运动定律。

普朗克 德布罗意 费曼

随着科学技术的发展， 人们认识到“量子世界”不仅限于微观和单个粒子，某些宏观尺度下的多粒子系统也遵从量子力学规律。例如玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)，当原子聚合的温度足够低时，所有处于不同状态的原子，会突然聚集在同一个尽可能低的能量状态上，其行为就像一个“放大”的玻色子，遵从量子力学规律。

玻色—爱因斯坦凝聚(图片来自网络)

我们按物理运动规律的不同，将遵从经典运动规律(牛顿力学，电磁场理论)的那些物质所构成的世界称为“经典世界”，将遵从量子力学规律的那类物质所构成的世界称为“量子世界”。“量子”就是量子世界中物质客体的总称，它既可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子，也可以是BEC、超导体、“薛定谔猫”等宏观尺度下的量子系统，其共同特征就是必须遵从量子力学的规律。

举一个例子说明“ 量子” 与“经典”的本质区别。经典世界的特点是物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的：晶体管要么导通，要么关闭，完全确定。即经典信息要么是0，要么是1，毫不含糊。但量子世界中，客体的物理量则是不确定的、概率性的，而且这种不确定性与实验技术无关，是量子世界的本质特征，无法消除。这个特征体现在量子力学中重要的量子态叠加原理上。

量子态记作|ψ> ，是科学家引进量子力学中用来描述量子系统的状态，其运动规律是薛定谔方程。

量子态又称波函数或几率幅，它没有任何经典对应。虽然人们并不喜欢量子世界的这种描述，因为它与我们所熟悉的经典世界截然不同，但一百多年来所有实验都证实了量子力学的所有预言，人们不得不承认这种描述是正确的。

著名物理学家费曼说，“量子力学的奥妙之处就是引入几率幅|ψ> ”。

假定量子客体有两个确定的可能状态0 或者1， 通常写成|0> 、|1> ，由于量子状态(写成|ψ> )是不确定的，它一般不会处于|0> 或|1> 的确定态上，只能处于这两种确定态按某种权重叠加起来的状态上，这就是量子世界独有的量子态叠加原理，用数学表示为|ψ> = α|0>+ β|1> 。其中α，β为复数，且满足|α|²+ | β|²= 1 。

量子信息以|ψ >为信息单元，称为量子比特。这从根本上区别于经典信息，后者以|0> 或|1> 为信息单元，俗称比特。

正是量子态|ψ> 的种种奇异特性导致量子信息技术的性能可以突破经典的物理极限，为人类开拓新一代的信息技术。

事实上，量子力学的所有奇异特性正是源于这个几率幅。当然，近百年来对量子力学争论不休也在于这个几率幅(量子态)。

目前，网络上流传什么“量子肥料”、“量子水”等忽悠人的词，将来还可能出现“量子炸弹”、“量子导弹”……这些忽悠大众的名词将本应光辉纯洁的学术领域炒作得乌烟瘴气，真假不分，鱼目混珠。

其实，人们只要搞懂“量子比特”的本质，就可以戳穿“假量子”的骗局。简单的判据就是看它是否应用到“量子比特”，即|0> 和|1> 的叠加态。

例如，激光测距实验，从目标反射回来的光束，其强度随距离不断衰减，当探测器无法探测到光时，就是最长的测量距离。当然，如果采用单光子探测器，则测量距离必然增长。

激光测距(图片来自网络)

这里测到的是单个光子，是否可以称它为“量子测距”呢？

答案是否定的，因为它没用到光子的量子态，这只是将测距灵敏度提高到极限而已，仍属于经典范畴。密立根当年在实验上测量单个电子的电荷，虽然采用单个电子，但这仍然属经典物理实验，因为在该实验中，“单电子”只是作为电荷最小单元，而未涉及到任何量子特性。

本文选自《物理》2018年第10期

量子十问之二：“爱因斯坦幽灵”能用来实现超光速通信吗？

作者：郭光灿 (中国科学技术大学 中国科学院量子信息重点实验室)

大家知道，爱因斯坦对量子力学的发展做出了极其重要的贡献。然而，爱因斯坦并不喜欢“量子世界的概率性”，他不相信上帝会以掷骰子的方式创造世界，尤其不能认同以玻尔为首的哥本哈根学派对量子力学的诠释。因此，他多次与玻尔就量子力学基本问题发生激烈争论，不过每次他都以失败告终。后来，爱因斯坦便改变争论的策略，即从量子力学原理出发，推演出一个十分荒谬的结果，以期来证明，量子力学用于描述世界是“不完备的”，这就是爱因斯坦等人1935 年提出的著名的“EPR佯谬”。

设想有一个量子系统由两个自旋为1/2 的粒子构成，每个粒子的自旋要么向上(↑)，要么向下(↓)，但两个粒子的总自旋为零，这意味着它们总是处于自旋相反的状态。现在将粒子A和B 分别配置于相距遥远的两个地方， 例如，A 在地球上，B 在月球上。按照量子力学的预言，每个粒子的自旋方向是不确定的，在任何方向上测量会有一半概率向上，一半概率向下。但如果地球上的粒子A被测量并发现其自旋向下，那么月球上的粒子B即便不测量也能确定其自旋必定向上，因为AB 自旋总是相反的。可见，地球上A未测量时，月球上B 只有一半概率向上，而地球上A一旦被测量，并发现自旋向下，月球上的B立刻以百分之百概率处于自旋向上的状态。月球上B的状态似乎是瞬时被地球上A的测量所控制，这种控制行为以超光速方式发生。这就是从量子力学原理推演出来的必然结果。

爱因斯坦由此断定，“超光速”行为是绝对不可能发生，他称之为“幽灵般的超距作用”。量子力学造就出这个不可能存在的“幽灵”，由此可见“量子力学是不完备的”，不足以正确地描述真实的世界。为了正确地描述世界，必须从量子力学理论体系之外引进新的参数(俗称为隐参数)，来消除“量子世界的概率性”，这个“幽灵”也自然就消失掉！这就是EPR佯谬的故事。

EPR 佯谬提出后，《纽约时报》作为封面新闻报导

那么量子力学如何应对EPR 佯谬？如何解释这个神奇的幽灵呢？首先，在EPR 实验中，月球上B虽然测到自旋向上，但仅从这次测量的结果，无法推断出它是以50%还是100%的概率获得此结果的。换句话说，它根本不可能由此知道地球上A是否被测量这个信息，因此这里根本不存在“信息传送”。即使“幽灵”超光速，也不违背狭义相对论“信息传送不能超光速”的原理。

上述EPR 实验中，似乎地球上A的测量是“因”，而月球上B的后测量是“果”，而“幽灵”担负着这个“因果”关联的角色。

但是，如果同时在地球上和月球上分别测量A 和B，结果应如何呢？量子力学预言，每次A和B 的测量结果自旋总是相反的，而且多次重复这个实验，单独看每个粒子测量的结果系列是完全随机的，A和B 两个随机序列则是完全关联，自旋总是相反的，所以实验结果是完全关联的随机数序列，这时不再存在“因”“果”之别了，“幽灵”并不从某处传到另一处，而是扮演将两个随机序列关联起来的角色！

设想我们有100 份EPR 粒子对(AB)， 其中所有A 粒子都在地球上，所有B粒子都在月球上，重复前面的实验，结果是地球上所测的100 个A 粒子自旋向上或向下是完全随机的序列，而且是大约一半向上，一半向下。同样的，月球上B粒子的测量结果也是向上、向下完全随机的序列，向上或向下的数量大约各占一半。但是最令人惊奇的是，地球和月球上分别测到的这两个随机序列是完全关联的：第i 对EPR 粒子中Ai 与Bi 自旋总是相反的。每对EPR 粒子都毫无例外是这个结果。

我们知道，量子世界遵从量子态叠加原理。EPR 中的量子系统，是由两个总自旋为零的粒子构成的，这个系统同样符合叠加原理。总自旋为零的状态只有两种可能：|↑>_A|↓>_B和|↓>_A|↑>_B，因此，AB系统的状态应当是|ψ>_AB= α|↑>_A|↓>_B+ β|↓>_A|↑>_B(|α|²+ |β|²)= 1 ，这个特殊的状态称为“ 纠缠态”。处于纠缠态的粒子，即使空间上分离遥远，仍然存在内在量子关联，对其中一个粒子的任何操作都会瞬时地改变另一个粒子的状态。所谓“幽灵”，就是这种纠缠！一旦两个粒子存在纠缠，它们的量子关联与粒子之间的距离无关，与空间环境无关，任何电磁屏蔽、引力屏蔽等都无法斩断这种内禀关联。这种量子关联源于量子世界的一种基本属性，称为“非局域性”，这便是“幽灵”的本源！

因此，物理学界对EPR 佯谬的解释就出现两种截然不同的观点：爱因斯坦等人认为，“幽灵”不存在，世界是局域的，量子力学不完备，必须以“隐参数理论”代之；玻尔等人认为，量子世界是非局域的，“幽灵”理应存在，量子力学是完备的，无需引入“隐参数”。世界究竟是“局域”还是“非局域”这是个哲学问题，难以断定孰是孰非！多亏欧洲核子研究中心的理论物理学家贝尔(Bell)的贡献才打破了这个僵局。贝尔本人实际上是爱因斯坦的铁杆粉丝，他认为爱因斯坦更聪明，“隐参数理论”应当是正确的。1964 年，他推导出一个有关EPR实验的不等式，即著名的“贝尔不等式”。如果能验证这个不等式被违背，则“隐参数理论”就不成立。

1982 年，法国学者阿斯派克特首次在实验上证实，贝尔不等式被违背。其后人们采用各种物理系统和实验手段开展实验研究，最终无漏洞地证实，贝尔不等式被违背，量子力学是完备的，非局域性是量子世界的重要基本性质。因此，关于EPR佯谬这场经历了60 多年精彩绝伦的学术争论到了该谢幕的时刻了！爱因斯坦如果在天有灵，看到他质疑量子力学完备性而提出的EPR佯谬，终被证明是“佯”而不“谬”，反而揭示出量子世界的非局域性这个最基本性质，不知会有何感想？

“幽灵”般的超距作用(图片来源于网络)

为便于理解量子世界的非局域性，我们举个不太恰当的例子：在合肥的母亲，当她在深圳的女儿生下头胎婴儿的那一瞬间，她立刻升格为外婆，这就类似于EPR 效应。这件事并不需要时间就发生了，尽管母亲并不知道关于她女儿生下婴儿的任何信息。原因在于母女之间的身份关联，女儿成为母亲的瞬间就必然导致自己的母亲成为外婆。

既然“ 量子世界” 确实存在“超光速”的“幽灵”，那么人们自然会问，能否将这个“幽灵”引到我们的经典世界中来，开发出“超光速通信”？许多科学家进行了不懈努力，最终的结论是，这是绝对不会成功的。量子力学的基本原理业已证明，不可能利用纠缠态来实现超光速通信。

本文选自《物理》2018年第11期

量子十问之三：“爱因斯坦幽灵”能用来实现超光速通信吗？

出品：科普中国

制作：中国科学技术大学 郭光灿 中国科普博览

监制：中国科学院计算机网络信息中心

爱因斯坦（图片来源于网络）

大家知道，爱因斯坦对量子力学的发展做出极其重要的贡献。然而，爱因斯坦并不喜欢“量子世界的概率性”，他不相信上帝会以掷骰子的方式创造世界，尤其不能认同以玻尔为首的哥本哈根学派对量子力学的诠释。因此，他多次与玻尔就量子力学基本问题发生激烈争论，不过每次他都以失败告终。后来，爱因斯坦便改变争论的策略，即从量子力学原理出发，推演出一个十分荒谬的结果，以期来证明，量子力学用于描述世界是“不完备的”，这就是爱因斯坦等人1935年提出的著名的“EPR佯谬”。

EPR佯谬（图片来源于网络）

设想有一个量子系统由两个自旋为1/2的粒子构成，每个粒子的自旋要么向上（↑），要么向下（↓），但两个粒子的总自旋为零，这意味他们总是处于自旋相反的状态。现在将粒子A和B分别配置于相距遥远的两个地方，例如，A在地球上，B在月球上。按照量子力学的预言，每个粒子的自旋方向是不确定的，在任何方向上测量会有一半概率向上，一半概率向下。但如果地球上的粒子A被测量并发现其自旋向下，那么月球上的粒子B即便不测量也能确定其自旋必定向上，因为AB自旋总是相反的。可见，地球上A未测量时，月球上B只有一半概率向上，而地球上A一旦被测量，并发现自旋向下，那月球上的B立刻以百分之百概率处于自旋向上的状态。月球上B的状态似乎是瞬时被地球上A的测量所控制，这种控制行为以超光速方式发生。这就是从量子力学原理推演出来的必然结果。

爱因斯坦由此断定，“超光速”行为是绝对不可能发生，他称之为“幽灵般的超距作用”。量子力学造就出这个不可能存在的“幽灵”，由此可见“量子力学是不完备的”，不足以正确地描述真实的世界，为正确地描述世界，必须从量子力学理论体系之外引进新的参数（俗称为隐参数），来消除“量子世界的概率性”，这个“幽灵”也自然就消失掉！这就是EPR佯谬的故事。

那么量子力学如何应对EPR佯谬？如何解释这个神奇的幽灵呢？首先，在EPR实验中，月球上B虽然测到自旋向上，但仅从这次测量的结果，无法推断出它是以50%还是100%的概率获得此结果的，换句话说，它根本不可能由此知道地球上A是否被测量这个信息，因此这里根本不存在“信息传送”。即使“幽灵”超光速，也不违背狭义相对论“信息传送不能超光速”的原理。

上述EPR实验中，似乎地球上A的测量是“因”，而月球上B的后测量是其“果”，而“幽灵”担负着这个“因果”关联的角色。

但是，如果同时在地球上和月球上分别测量A和B，结果应如何呢？量子力学预言，每次A和B的测量结果自旋总是相反的，而且多次重复这个实验，单独看每个粒子测量的结果系列则是完全随机的，A和B两个随机序列则是完全关联，自旋总是相反的，所以实验结果是完全关联的随机数序列，这时不再存在“因”“果”之别了，“幽灵”并不从某处传到另一处，而是扮演将两个随机序列关联起来的角色！

设想我们有100份EPR粒子对（AB）,其中所有A粒子都在地球上，而所有B粒子都在月球，重复前面的实验，结果是地球上所测的100个A粒子自旋向上或向下是完全随机的序列，而是大约一半向上，一半向下。同样的，月球上B粒子的测量结果也是向上，向下完全随机的序列，向上或向下的数量大约各占一半。但是最令人惊奇的是，地球和月球上分别测到的这两个随即序列是完全关联的：第i对EPR粒子中Ai与Bi自旋总是相反的。每对EPR粒子都毫无例外是这个结果。

因此，物理学界对EPR佯谬的解释就出现两种截然不同的观点：爱因斯坦等人认为：“幽灵”不存在，世界是局域的，量子力学不完备，必须以“隐参数理论”代之；玻尔等人认为：量子世界是非局域的，“幽灵”理应存在，量子力学是完备的，无需引入“隐参数”。世界究竟是“局域”还是“非局域”这是个哲学问题，难以断定孰是孰非！多亏欧洲核子研究中心的理论物理专家贝尔（Bell）的贡献才打破了这个僵局。贝尔本人实际上是爱因斯坦的铁杆粉丝，他认为爱因斯坦更聪明，“隐参数理论”应当是正确的。1964年，他推导出一个有关EPR实验的不等式，即著名的“贝尔不等式”。如果能验证这个不等式被违背，则“隐参数理论”就不成立。

1982年，法国学者阿斯派克特首次在实验上证实，贝尔不等式被违背。其后人们采用各种物理系统和实验手段开展实验研究，最终无漏洞地证实，贝尔不等式被违背，量子力学是完备的，非局域性是量子世界的重要基本性质。因此，关于EPR佯谬这场经历了60多年精彩绝伦的学术争论到了该谢幕的时刻了！爱因斯坦如果在天有灵，看到他质疑量子力学完备性而提出的EPR佯谬，终被证明是“佯”而不“谬”，反而揭示出量子世界的非局域性这个最基本性质，不知会有何感想？

阿斯派克特（图片来源于网络）

为便于理解量子世界的非局域性，我们举个不太恰当的例子：在合肥的母亲，当她在深圳的女儿生下头胎婴儿的那一瞬间，她立刻升格为外婆，这就类似于EPR效应。这件事并不需要时间就发生了，尽管母亲并不知道关于她女儿生下婴儿的任何信息。原因在于母女之间的身份关联，女儿成为母亲的瞬间就必然导致自己的母亲变成外婆。

既然“量子世界”确实存在“超光速”的“幽灵”，那么人们自然会问，能否将这个“幽灵”引到我们的经典世界中来，开发出“超光速通信”？许多科学家进行了不懈努力，最终的结论是，这是绝对不会成功的。量子力学的基本原理业已证明，不可能利用纠缠态来实现超光速通信。

量子技术能将人“瞬间”转移到别的星球上吗？

作者：郭光灿（中国科学技术大学 中国科学院量子信息重点实验室）

经常听到有人议论，“‘量子技术’太神奇，可以实现时空穿越，将人‘瞬间’转移到别的星球上！”果真如此吗？这一问我们就稍微仔细地讨论这个问题。此说法主要依据所谓“量子隐形传态”这个经典物理无法做到的神奇过程。量子隐形传态的英文是“Quantum Teleportation”。首先，“Teleportation”的含义是“远距传物”，通常在科幻电影或神话小说里出现，人或物在某地突然消失，瞬间在远处重现。现实中当然无法做到，但“量子纠缠”出现后，科学家提出“量子隐形传态”的方案，可以使量子信息或者称量子态在某处消失，随后在远处重现，有点像上述神话中的“远距传物”。具体过程如图1所示。

图1 量子隐形传态方案示意图

Alice 有粒子C， 处于量子态|ψ_c〉，她希望将此量子信息|ψ_c〉传送给远处的Bob，但信息载体C 本身仍保留在Alice 处。假设A、B是来自于纠缠源的两个粒子，分别传送给Alice 和Bob，由于A和B处于纠缠态，因此Alice 和Bob就有了量子关联的通道，只要一方被测量，另一方的量子态会瞬时发生相应的变化。此时，Alice 处拥有两个彼此独立的粒子A和C，她对A、C进行一种所谓的Bell 态测量，这种测量可能有4 种结果（即4 个不同的Bell态），各自概率为1/4。Alice 做一次测量，获得其中一个结果（即某个Bell 态），随后，测量结果经由一个经典通道传送给Bob，Bob 获取此经典信息后，对粒子B实施相应的操作，结果粒子B 便处于量子态|ψ_c〉上，亦即量子态从C 传给了B，这就是所谓的“量子隐形传态”。这个过程中，Alice 和Bob 可以完全不知ψc是什么态，C 和B 也可以不是同一类的量子客体。

Alice 对A、C 实施Bell 态测量后，ABC整个量子系统究竟发生了什么改变？(1) C 的量子态改变了，亦即原来量子态|ψ_c〉消失了，C 处于别的量子态；(2) A、B 不再处于纠缠态，AB 之间量子关联中断了；(3) B 处于4种可能的量子态之一，究竟是哪个量子态取决于A、C 的Bell 态测量的具体结果；(4) A 与C 处于4 种可能的纠缠态，各自概率为1/4。

在“量子隐形传态”过程中，量子态|ψ_c〉究竟是怎么被传送到B上的呢？我们无法按通常的传送信息方式来想象这个过程，正因为如此，故采用“隐形”来描述这种状况。一般理解说， |ψ_c〉的信息被分成两部分，一部分经由AB 的纠缠量子通道传到B，另一部分是测量所得的经典信息经由经典通道传送给B。Bob 实质上是将两部分纠结起来，使量子态|ψ_c〉精确地赋予B粒子。单独从量子通道或经典通道获得信息都无法实现量子隐形传态，因此在这个过程中，两个通道是必不可少的。既然必须采用经典通道传输信息，这个过程的实现决不可能超光速。所以，量子隐形传态决不可能是“瞬时”的，不会发生超光速现象。

图2 量子隐形传态（图片来源于网络）

另一点特别要强调的是，A、B、C都应当是量子客体，它们可以不属同一类，可以分别是光子、原子、电子等，但都遵从量子力学规律。结论是，量子隐形传态是量子客体之间的一种“非瞬时的”量子信息传送的过程。

这个结论否定了经典客体之间实现这种隐形传送信息的可能性。经典信息的传送必须有物理载体的携带才能实现，这种物理载体可以是声波、电磁波（包括光波）、引力等。

当然，如果C 不是单个粒子，而是由许多粒子构成的复杂量子客体，而量子态可以表达为|ψ_c〉，我们同样可以经由量子隐形传态将|ψ_c〉传送给B。

如果C 不是量子客体而是无法用量子态描述的经典客体，而A、B 是量子客体，那么C 所携带的经典信息仍然无法用此方式传送到Bob 处而保持C 仍留在原处。此外，量子隐形传态仅仅传送量子客体C 所携带的量子信息（即量子态），量子客体C并未消失，因此不能说，如果B 与C 是同类物质就可实现量子客体从某处传送到另处。自然客体具有“物质、能量、信息”三要素，只有这三个要素都消失才可以说该客体被消失了。

至此，我们可以很容易地回答本文的命题，答案是量子技术不可能将人“瞬间”转移到别的星球！即使是非瞬时地采用此过程也不能将僵尸、棉衣之类的传送到别的星球！

“量子隐形传态”是量子纠缠的一种奇妙应用，并被实验所验证。这个过程已成为量子通信等的重要物理基础，已开辟出具有潜在应用价值的新技术。

量子纠缠是量子技术的重要资源，是量子计算机、量子模拟等重大应用的物理基础。那么，如何产生量子纠缠呢？现在科学家已经掌握许多制备量子纠缠的方法和途径。最常用的是将一束激光照射到非线性晶体上便能产生纠缠光子对。当然，这种纠缠光子源属概率性的。这种参量下转换产生的许许多多光子对中才会有一对光子是纠缠的，人们甚至无法预先知道哪一对是纠缠光子，只能采用能确定纠缠的探测装置来加以识别，但一旦确认该光子对是纠缠的，纠缠也会因此测量而消失。这种后测量制备的纠缠应用是有限的。理想的应当是确定性纠缠源，即每次仅产生一对光子，而且它们必定处于纠缠态。例如，具有合适能级结构的单个量子点，将其激发到某个特定能级上，它会跃迁到某个中间能级，伴随着发射出一个光子，随后又从中间能级跃迁到下能级，发射出另一个光子，而且两个光子处于纠缠态。

图3 量子纠缠（图片来源于网络）

两个独立的粒子不纠缠，通过某种非线性相互作用，两个粒子可以处在纠缠态上，这种非线性作用的途径有许多：两个纠缠光子分别入射到两个独立量子客体（例如冷原子系综、固态量子存储器等），可以使这两个量子客体变成量子纠缠；在上述量子隐形传态中，Alice 对相互独立的粒子A 和C 实施Bell 态测量，便使A 和C 成为纠缠态； 量子处理器中的量子受控非门可以使输入的两个量子比特在输出端成为纠缠态，等等。

量子纠缠尽管奇妙无比，用途广泛，但它却有天然的致命伤——量子纠缠十分脆弱，环境会不可避免地破坏其量子特性而使“纠缠”消失掉，即两个纠缠的量子客体最终会演化为不纠缠的状态，非局域关联完全断开。所谓环境不仅包括经典噪声，诸如热运动、吸收、散射等，还包括量子噪声，即真空起伏。即使我们有办法将经典噪声完全隔绝，量子噪声仍无法消除，而且无处不在。这种环境引起的量子性消失，被称为“消相干”（或“退相干”）。“消相干”是“量子相干性”的天敌！

量子器件是一种人造的量子系统，“消相干”是实际量子器件应用的主要障碍，必须采取措施加以克服。例如通用量子计算机必须采用量子纠错和容错来克服消相干的影响，远程量子通信必须采用量子中继来建立远距离的纠缠通道等等。

量子十问系列：

本文选自《物理》2018年第12期