问人间情为何物？只教人量子羁绊！

liukang20242个月前 (05-04)热门吃瓜639

什么是国际上最巨大的爱情？那便是量子羁绊！处于量子羁绊的两个物体，就像情人节一对深深相爱的恋人，相互心灵相通，远在天边却不时怀念并无形地连着相互。不只如此，量子羁绊所带来的量子暗码，就像恋人之间的心照不宣的悄悄话相同…

出品："SELF格致论道讲坛"大众号（ID：SELFtalks）

以下内容为我国科学院物理研讨所罗会仟讲演实录：

我今日讲的主题是量子，我带来了三套“玩具”，它们的原理都相同。

咱们先做第一个试验。这是一个圆形的轨道，这是一个块状资料，咱们把块状资料放到液氮里泡一泡，然后把它放到轨道上。咱们看，发生了什么？没错，它悬浮在了轨道上。我推一下，它还能绕着轨道做运动。

下面咱们做别的一个试验。这是一个磁铁，这是一个环状物体。从外表看，这个环状物体并没有什么特别之处，其实它内部装有超导线圈。一般，在不触摸磁铁的情况下，咱们是无法用这个环把磁铁拎起来的。可是假如依托液氮的协助，就能完成这一操作。

咱们用液氮泡一泡这个环，让它降温。好，咱们看，现在磁铁现已被拎起来了，并且完全是悬空的，咱们需求用很大力气才干将它拉下来。这其实便是量子的效应。量子试验在现实日子中很简单做，可是同学们在家里不要随意玩这种磁铁，由于它的吸力十分大，不小心就会把你的手夹断。

好，试验就做到这儿，我今日要共享的主题是“量子的爱情”。咱们都是初中生，还不能谈恋爱。但量子的爱情不相同，下面咱们就来讲一讲什么是量子的爱情，量子是怎样谈恋爱的。

电子的摆放组合

说到量子，怎样才干找到量子呢？其实只需你的眼睛满足凶猛，就能找到原子。把原子剥开后，里边是带正电的原子核和带负电的电子。电子绕着原子核转，不过电子的运动轨道并不像行星运动轨道那样有规则，电子是随意乱转的。

原子里有电子，而电子便是一个量子，原子核也是由许多量子组成的。咱们常常说电子便是量子，所以假如能够控制电子，那么就能够控制许多量子现象。

为什么电子是量子呢？电子不只带着负电荷，它还像一个小磁针。日子中有许多磁现象，便是由于电子能够有序地摆放。电子的摆放呈两种状况：一个朝上，一个朝下，这在物理学里叫自旋。你也不知道它朝上仍是朝下，摆放是很随机的。

许多人都以为电子长得像球，实际上，粒子长得都不太像球，像球的只需氢原子，粒子的形状都是杂乱无章的，有哑铃状，有梅花状，等等。假如把这些电子放在同一个原子里，咱们知道它们会呈什么方式排布吗？会呈立方体的排布。

日子里有什么资料是立方体结构的？对，盐。在一个有序摆放的原子里，电子怎样运动呢？没错，这时电子不能随意运动，由于它会遇到各式各样的阻止，也便是咱们常说的电阻。

打个形象的比方：电子在高速路上奔驰，它遇到了各式各样的“收费站”，电子要停下来交费，能量会遭到丢失，运动的速度就会变慢，所以说，电子运动遭到了必定的阻止，这就叫电阻。

看上去任何导体都有电阻，那有没有办法去掉电阻呢？方才咱们做试验时用到了液氮，液氮的首要效果便是让导体降温。其实科学家们也做了许多相关猜想，以下是比较有代表性的三个猜想。

第一个猜想是开尔文做出。他以为，温度下降后，电子会被冻住，电阻就会上升，这个猜想听起来如同挺有道理的。

第二个猜想是马西森做出的。他以为，电阻会随温度下降而减小，但有一部分电阻无法防止，总会存在，即使到了绝对零度，电阻仍是存在。

第三个猜想是杜瓦做出的。他以为，假如找到一个完美的资料，那么在绝对零度的情况下，这个资料的电阻会是零。

后来人们发现这三个猜想都不太对。方才试验中用到的超导资料就证明，到了必定温度之后，电阻就会降到零，电阻就会消失。电阻消失的现象又名超导现象。

超导现象是物理学家卡末林·昂内斯发现的。第一个发现的超导资料是金属汞，其时卡末林·昂内斯将汞的温度降到了4.2K（约-268.8℃），测得其电阻简直降为零。

电阻为零是什么概念？假如你们知道电磁感应的话，能够造一个电路圈，这时再参加一个磁场，就能够测出相应的感应电流，经过丈量感应电流的改动就能够调查出磁场的改动。

假如在超导体中做这个试验，假定加一安培电流的话，咱们猜一猜大约多长时刻电流会衰减为零呢？

大约要一千亿年的时刻。比国际的年纪还长。这便是奇特的超导现象，它能够保持这么长的时刻。也便是说，它简直能够做到毫无损耗地传输电能。

为什么电阻会为零呢？让咱们回到最初步的主题——量子爱情。

一个带负电的电子在带正电的原子里运动，它会把一群带正电的原子给招引过来。由于电子和原子的质量不同很大，当它把原子招引过来今后，自己很快就离开了。这时又来了别的一个电子，这群原子就会将能量从头释放出来给第二个电子。

这样一来，这两个本来毫无关系的电子无形中就有了彼此效果，构成了所谓的库伯电子对，它们再也不孑立了，它们“谈恋爱”了，这便是咱们今日要讲的爱情。

我之所以将这种爱情比方成“蕾丝边的爱情”，是由于电子是阴性的，有点像两个女生经过一群男生的介绍后，彼此之间发生了爱情。

实际上，资猜中的电子有许多，并不只需两个电子。这些电子相距都很远，那假如有一群这样的电子都配成了对，会发生什么情况呢？

那就会在整个资料范围内构成巨大的量子波。在超低温的情况下，这些成对的电子具有巨细持平、方向相反的动量，所以能够无阻止地在原子里运动，这样就没有电阻了。

假如咱们很难了解的话，我能够再打一个形象的比方。电子就像一只需缺点的蜜蜂，它只需一个翅膀，有的只需左翅膀，有的只需右翅膀，有缺点的蜜蜂自己飞不起来，有必要抱团成对飞。

并且也不能乱飞，要朝着一个方向飞，有必要成为电子对。电子对的间隔能够十分十分远，但只需其间一个在动，另一个就会跟着动。

原子是有序摆放的，电子其实也是有序摆放的，它们就像阅兵场上的战士相同，脚步规整。一群战士过来了，另一群战士又过来了，冤家路窄时怎样办呢？就只能打群架了。

假如咱们将两个超导体拼在一起，中心用一个绝缘体将它们离隔，左面超导体和右边超导体中的电子彼此不知道的，可是它们都很联合，这两群电子相互打架的时分会发生两个光波，这叫双缝干与。两群电子还会发生干与，这叫夫琅禾费衍射。

咱们看到，电子在空间上有强有弱地散布，并且是能够调理的，咱们只需求略微改动一点磁场，就能够改动它的形状，如此，咱们就能够结构十分活络的量子探测器。

电子绕约瑟夫森结一圈，能够正着绕，也能够反着绕，这样出来的磁场会一个朝上，一个朝下，这便是两个量子的叠加态。

量子核算机的应运而生

咱们不要小看我方才讲的常识，那其实便是量子核算机的基本原理。这张相片拍照的便是量子核算机。

假如结构出量子羁绊，就能够做量子核算了。量子核算十分凶猛，十分快。各位同学知道有多快吗？

用一栋楼那么大的核算机集群做某个运算，或许要算一万年，可是用量子核算机进行运算，只需求一秒钟！

不过，量子核算机虽好，建起来却十分难。就比如把两个超导体拼在一起很简单，可是把无数个超导体拼在一起就十分难了。

这是我国科学家做出的20量子比特的芯片，有了量子芯片，就能够做量子核算了。

前不久谷歌声称研发了一个由50多个量子比特组成的量子处理器。咱们或许还领会不到这是什么概念。

未来，50比特量子核算机假如真能建成的话，它将逾越现在一切的核算机，现在一切的核算机在它面前都是渣。它会瞬间破解一切暗码，那将十分可怕。

咱们幻想一下，假如将来真有这样的量子核算机，国际会变成什么样。更可怕的是，这个量子核算机不是人工出来的，是AI造出来的，所以许多人都忧虑未来将是机器人控制人类的年代。

当然，真要建成一台这样的量子核算机十分困难。方才说到的电子核算机其实继续的时刻十分短，状况很简单就会被损坏掉。所以咱们需求寻觅一个更杂乱的量子状况。

相片中的这位科学家许多人都不知道，他是一位苏联科学家，叫波戈留波夫。咱们常常笑称他是专门棒打鸳鸯的。

什么意思？方才讲了，要构成超导效应，电子有必要要配成对。但假如给正在谈恋爱的一对电子加上磁场，加上温度，就能把它们给拆开。

一分两散的两个电子不会分红两个电子，而是分红两种不同的粒子，这种粒子就叫波戈留波夫粒子。

波戈留波夫粒子会分红一对费米子——马约拉纳费米子。

马约拉纳是个奥秘的物理学家，二十多岁离家出走后就石沉大海。奥秘的马约拉纳天然生成具有超前的物理思维，他猜测有一种粒子的反粒子便是它自己。后来证明这种粒子是实在存在的，所以叫它马约拉纳费米子。

咱们以为这种粒子就像“天使和魔鬼的共存体”相同，要操作一个既是天使又是魔鬼的东西十分困难，咱们需求十分共同的资料，这个资料首先是超导体，上面还要再做一层拓扑绝缘体，将这两者结合起来后，就会发生奥秘的马约拉纳费米子。

有了马约拉纳费米子后，量子芯片就不相同了，它遭到了拓扑的维护，就能得到十分安稳的量子状况，只需不强行进行损坏，量子状况就永久存在。拓扑量子核算还能确保核算的精度，完成高精度操作的要求。

量子研讨的未来

未来假如真的完成了量子器材的话，咱们将迎来一个簇新的量子国际。咱们不要觉得量子国际离咱们很悠远，实际上它离咱们十分近。

谷歌建成了量子核算机，人们也能经过量子模拟器体会量子核算。我国早在几年前就提出了量子方案，方案在十年内建成我国的量子核算机。

现在两三年过去了，我国的量子技术开展取得了巨大进步。咱们回想一下，第一台电脑刚造出来的时分有三层楼那么高，有一栋楼那么大。

但现在，咱们手中的任何一台手机都比其时第一台核算机要凶猛得多。这种快速的改动只用了短短二三十年的时刻。

现在如同都是科学家在研讨量子核算，没准十年之后，咱们的手机、电脑就都量子化了。到时分一台量子手机就相当于现在的一台超级核算机。

而未来一切的完成都依赖于开始的初步：资料量子国际里一群电子发生的爱情让咱们有时机人为地进行控制，有时机构建未来的量子国际。

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