“学术过大年”首讲:陆朝阳教授带你走进量子世界

作者: 九章量子
发布于: 2025-01-24 09:36

在新春佳节即将到来之际,由中国科学院西安光机所主办的“学术过大年”活动在1月21日正式开讲,第一讲是由九章团队的陆朝阳教授带来的《光量子计算新进展》报告。报告以通俗易懂的方式,介绍了量子力学从100年前的建立到如今在量子计算领域的前沿应用。

  百年量子力学

陆朝阳教授从100年前量子力学建立之初的历史背景说起。百年前,量子力学的奠基人们用好奇心打开了物理世界的新大门。1925年,年仅24岁的海森堡提出了矩阵力学,奠定了量子力学的基础。因此,2025年被联合国定为“国际量子年”,以纪念这门科学在过去一百年中为技术与社会带来的巨大变革。

晶体管的发明直接依赖于量子力学中的能带理论。今天,每台智能手机中都包含数十亿个晶体管。另一个例子是激光技术,它的基础来自于爱因斯坦提出的受激辐射理论,激光正是基于这一量子力学理论实现的光放大。

  反直觉的量子世界

陆朝阳教授引用玻尔和费曼的名言,“如果有人对量子力学不感到困惑,那才是有问题的”,因为量子世界本身充满了难以理解的奇异现象。

首先,量子世界是离散化的。假如将一只猫放大100亿倍,这个时候我就可以看到组成物质的基本单位——原子。这个时候我们就进入了量子世界。

在牛顿力学中,我们认为世界是连续的,例如一个斜坡。而到了量子世界,物质和能量存在一个最小单位,就像上楼梯的时候,我们可以在第一个台阶、第二个台阶、第三个台阶,但是不能够在第1.5个台阶或者第2.7个台阶,因为我们是站不稳的,即它的能量是不稳定的,这就叫做量子化。

那么到什么程度的时候,这个离连续的变化的量就会变成离散了呢?例如,40W的灯泡一秒钟释放的光子数有1020个,而成年人的一口气可以呼出大概1022个分子。

我们已经知道量子是一个非常小的尺度,那么它长什么样子呢?以最简单的原子——氢原子为例,因为它只有一个原子核和一个电子。下图显示了氢原子在不同能级时的样貌,即前面提到的台阶,其中亮的地方就是电子出现的概率比较高的地方,暗的地方是电子出现概率比较低的地方。“即使简单到一个原子,物理学的素颜也是非常漂亮的”,陆教授介绍到。

量子离散化限制了你只能在第一个台阶、第二个台阶,不能在第1.5个台阶或2.7个台阶。但是它可以让你同时在第一个和第二个台阶出现,这就是量子力学的另一个基本规则——相干叠加原理,它是可以允许一个物体是同时处于多个地方、多种状态。

如下图所示,在宏观世界里面,如果扔一个球,在球道中间有几块挡板,容易得到一个结论:最后在这个屏幕上会留下这两个狭缝所对应的、球穿过去之后撞击得到的痕迹。假设把这个球变成微观世界的一个原子或电子,则会发现完全不同的现象,经过狭缝后会产生干涉条纹。

更奇怪的是,假设我们在狭缝旁边分别安装一个探测器,去观测电子到底经过的哪个狭缝,这时候干涉条纹竟然消失了。也就是说,我们的观测行为影响了电子的状态。

当时薛定谔也觉得很奇怪,于是他提出了“薛定谔的猫”思想实验:他把猫放在一个盒子里,然而有一瓶毒药是被放射性物质所控制的,这个放射性物质有一半的概率会衰变,衰变的话就会打破这个毒药,反之就不会打破,所以猫相应的也是有一半概率是活的,一半概率是死的。没有办法事先预测打开盒子之后,猫是死的还是活的。这与牛顿第二运动定律相违背,在牛顿力学中,所有物体确定了一个初态之后,这个物体之后所有的运动都是可以被精确地预测出来。

对于量子力学的随机性,爱因斯坦认为,如果出现了一些看起来非常随机的一种现象,那肯定是因为我们这个物理学的发展还不够,我们还没有揭示出这个背后可能有一个隐藏的变量存在。

所以1935年,爱因斯坦就和另外两位科学家写了一篇论文,论文题目是“量子力学对物理实在的描述是不是完备的?”。在这篇文章中,爱因斯坦提出了量子纠缠的概念:假设两个微观粒子相互纠缠,一个粒子状态发生变化,另一个也会随即发生变化,无论它们相距多远,因此被爱因斯坦称为“遥远地点之间的诡异互动”。

  亲身体验量子世界

量子力学的百年变革不仅改变了世界,也让我们对未来充满期待。在陆朝阳教授的报告中,提到了许多让人着迷的量子现象,例如双缝干涉、量子纠缠等,它们不仅是科学研究的核心内容,也是打开量子世界大门的钥匙。

为了帮助更多人特别是青少年朋友深入理解这些量子现象,九章量子推出了量子互补性原理演示仪、量子纠缠系统等实验仪器。这些产品结合精准的实验设计和高质量的光学组件,能够直观呈现量子力学的奇妙现象,为教学和研究提供强大助力。

●量子互补性原理演示仪

双缝干涉实验是量子力学的经典实验之一,展示了光子的波粒二象性:光子穿过双缝后会形成干涉条纹,揭示出其波动性。然而当试图观测光子究竟通过了哪条缝隙时,干涉条纹却会消失,展现了粒子性。玻尔用他的互补性原理解释了这种现象。量子互补性原理演示实验揭示了观测行为对量子状态的影响。该演示仪使用灵活的光路设计,帮助用户直观理解“观测如何改变结果”的量子哲学问题,是科普教学的不二选择。

△九章量子出品的量子互补性原理演示仪

●量子纠缠系统

专为展示量子纠缠现象而设计,利用非线性晶体的自发参量下转换过程(SPDC)来产生极化纠缠光子对,并对纠缠光子进行调控和探测,实现验证量子纠缠基本性质,检验贝尔不等式,体验量子纠缠的“超距作用”。采用模块化设计,易于拓展,可以拓展单光子干涉、双光子干涉、量子隐形传态等实验。

△九章量子出品的量子纠缠系统

与其惊叹量子力学的神奇,不如亲手开启量子的探索之旅!

了解更多产品详情,请访问公司官网或联系我们:

邮箱:sevice@jiuzhangqt.com

电话:0531-88588117

分享
  • 0531-88588117
  • service@jiuzhangqt.com
  • 返回顶部