薛鹏:追问量子力学“为什么”

量子科学2019-02-10 14:20:01

关注量子科学

薛鹏在实验室中工作  姚雪青摄

 

来源:人民日报 

作者:姚雪青 廖政军


  著名物理学家玻尔有一句名言:“谁要是第一次听到量子力学时没有感到困惑,那他一定没听懂。”不知道近20年前,当东南大学物理系教授薛鹏第一次接触量子力学时是怎样的感受,但对于现在的她来说,用量子力学进行思考已经成为了一种习惯。


  薛鹏的实验室在东南大学九龙湖校区物理系大楼,在这间小小的房间里,薛鹏和她的团队常常在一起工作到深夜,在量子光学和量子信息领域取得了不俗的成绩。

 

  量子与日常生活有关联


  在一些影视作品中,物理学教授往往不修边幅。而看到薛鹏的第一眼,就颠覆了这种刻板印象:美丽、知性、温柔。翻开简历,感觉她从小就是“别人家的孩子”:1999年以优异成绩提前一年于中国科学技术大学物理系毕业,免试进入中科院量子信息重点实验室攻读博士学位;后赴奥地利因斯布鲁克大学及加拿大卡尔加里大学任博士后和讲师;2009年回国任教,目前在东南大学物理系担任教授。


  采访前,记者一直在网上搜索两个问题:量子是什么?和日常生活有什么关联?


  “你听说过薛定谔的猫吗?”见面时,薛鹏问。“薛定谔的猫”,是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的著名思想实验,被看成是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演。实验是这样的:在一个盒子里有一只猫以及少量放射性物质,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。


  根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。但在量子世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的状态,如果没有揭开盖子进行观察,猫将永远处于半死不活的叠加态。


  “和经典世界具有确定性有所不同,量子世界具有概率性和叠加性。基于量子力学的量子信息处理方式具有我们熟悉的经典方法无可比拟的优势。”薛鹏解释说,量子计算依靠传统计算机无法企及的超高速计算能力,为很多领域的发展提供了新的应用空间。比如可以建立更好的气象模型,帮助确定采取哪些措施预防灾难发生;可以绘制出数以万亿计的分子组合模式,在未来甚至为人类基因分析排序,大大节省新药研发时间和研发成本;还可以迅速计算出最佳路线,优化空中和地面交通,降低出行拥堵。


  前不久我国发射的量子卫星,因其具有杜绝间谍窃听及破解的保密通信技术,受到极大关注。这一技术的关键一环是“量子密钥分配”,它允许某人发送信息给其他人,而只有使用量子密钥解密后才能阅读信息。如果第三方拦截到密钥,这种窃听行为会马上被发觉,而这组密钥也会被弃之不用,信息安全得以保证。美国量子信息与计算机科学联合中心共同主任雅各布?泰勒认为,太空任务总是极具挑战性,中国希望通过光学技术和地基、空基设备来实现单一光量子级试验,这本身就是一个值得称赞的目标。


  美国南加利福尼亚大学量子信息科学与技术中心主任丹尼尔?莱达表示,量子信息研究正在快速发展。目前可操作的小规模量子计算机就能够解决一些简单的问题,未来它们有望与传统计算机相抗衡。另外,量子密码学早在多年前就开始商业化,也是目前最为先进的实用量子信息处理形式。


 

  量子行走可用于量子通信


  薛鹏实验室的平台上整整齐齐摆放着的激光器、时间数字转换器、单光子探测器等实验仪器和各种线性光学元件,被一些光纤连接着。它们中的大部分需要在21摄氏度的干燥恒温下存放,再加上密闭安静的环境,室内的温度显得更低一些。


  “我从2007年开始研究量子行走,起初从事的是理论研究,2013年转向实验研究,在第二年发现了量子行走中光信息的传播扩散与恢复现象。”薛鹏介绍,量子行走在量子计算中有着广泛的应用,但能否同时应用于量子通信,就主要取决于量子行走中是否存在信息的传播扩散与恢复。


  什么是量子行走呢?薛鹏说,假设一个人拿着一枚硬币,每走一步前,先抛掷一次硬币,如果花纹朝上就向左走一步,如果字面朝上就向右走一步。这可以理解为经典随机行走。在量子行走中,“人”和“硬币”分别由量子化的粒子来代替。例如,光子在空间模式中的行走由光子的偏振来决定。由于量子世界的特殊性,量子行走中扩散传播的速度要比经典世界快得多。


  而在量子行走中,信息的传播扩散与恢复,如同向平静的水面扔石子,可以看到水波一圈圈地扩散开去,紧接着又有一个“倒带”画面,扩散开去的波纹又再度“收”了回来,变成最初看到的样子。


  2013年,薛鹏团队进行了一项名为光学中模拟拓扑相变的实验。经过反复演算,发现原有方法从理论上就不能得出预期结论,自己最初的实验设计也无法达到预期效果。


  虽然一扇门被关上,但薛鹏凭借多年的理论积累又打开了一扇窗:“修改了实验方案,索性研究周期性量子行走,也就是量子信息在量子行走中的传播扩散与恢复,如果取得成功,就确保了量子行走除了可以应用于量子计算还可以应用于量子通信。我们设计出通过8步量子行走实现量子态的演化并最终完全恢复到了最初始的状态。”


  实验成功了!实验结果论证了周期性量子行走,从而确保了量子行走可以应用于量子通信。论文写好、投出,却没有等来好消息。《物理评论快报》(Physical Review Letters)的编辑回复说,实验需要更多的周期和扩展来进行论证。


  “当时,很多人都劝我放弃,包括来自加拿大的合作者也认为要证明实验的可扩展性从而说服审稿人及编辑难度太大了。但我就想再努力一把,8步行走是一个周期,审稿人和编辑认为一个周期不足以证明,我就再做到16步,展示两个周期的演化过程,如果还是不能将之说服,我就继续做下去。”薛鹏说。


  团队调整实验方法,在关了灯的暗室,每天站七八个小时观测非常微弱的近红外单光子光束,一呆就是3个月,边搭光路边探测边调整。最终在16步量子行走的演化过程中,连续两次观测到了量子信息的传播扩散与恢复现象。


  此后,薛鹏团队的这一实验连续突破一维空间量子行走演化上限,目前已经做到20步以上,达到世界先进水平。


  在物理学科的分支中,量子信息学是新兴学科,尽管不断制造着研究热点,但和凝聚态物理、高能物理、粒子物理等相比,仍属于“小众”。

 

  量子研究期待二次革命


  尽管有不少像薛鹏这样的量子信息科学研究群体投身这一领域,但量子研究目前仍面临诸多挑战。


  雅各布?泰勒认为,最大的挑战之一,就是如何开发出最有趣的应用和算法,使得我们能从中等规模的量子计算仪器中获益。我们目前努力的关键就是研发出这样的仪器,从而更好地理解量子系统对于人类的价值。


  量子力学发展到今天,已有100多年的历史。如果说前一个100年,它带给我们激光、晶体管、电脑、核能等突破性技术和成果,解释了量子力学能让我们“做什么”的问题;那么,下一个100年中,不少物理学家提出要进行二次量子革命,追问“为什么”的问题。


  爱因斯坦等人很早就已提出如下问题,量子世界与经典世界之间有着显著区别,量子关联是否受到距离的影响,量子变量的测量结果是否受到另一变量测量的影响?这两种实在性是相互独立还是存在一定的关系呢?


  “这个问题属于量子力学的本质问题。”薛鹏坦言,物理学家既要“仰望星空”,致力于最尖端最前沿的技术应用,也要“脚踏实地”,关注学科的本源和基础。曾有过多年理论研究基础的她,希望能有更多精力来进行基础性、本源性的研究工作。


  薛鹏介绍,自己目前所带的硕士和博士生共有10人。在平时的教学和科研中,她时常对学生们进行鼓励和引导:“学物理并不是一个很好的谋生手段,一定要有兴趣才能忍耐寂寞,承受挫折和失败,同时还要勤奋肯吃苦,只有这样才能在这个领域有所建树。”


公告:感谢朋友们一直以来对量子书斋的信任和支持,由于快递停发,春节期间只接单不发货,正月初十恢复发货。祝您和您的家人新年快乐,吉祥如意!

回馈读者  送 精品图书


喜欢就点击上面的图片

自2016年8月15日起,凡是在量子书斋

一次性购买图书满198元

送 价值296元的

《超级记忆术》一套!


量子科学


宝宝的量子物理学绘本 中英文双语原版六册


量子伦理 用生命的本质重新阐释世界的本质


量子宇宙   一切可能发生的正在发生


量子纠缠   颠覆常理的“上帝的效应”


画说量子论:走进量子科学的殿堂


量子之谜:物理学遇到意识


自然计算:DNA、量子比特和智能机器的未来


量子物理


量子佛学  与佛学朋友交流 非宗教人士勿入


       本书将以今日之科学方式——量子佛学方式,以*清晰、*有力的视角,直接透视实相以及了义经中的核心思想,从而直入佛学真义的本质!相信在阅读过本书后,你会对佛学有一个超越逻辑思辨的全新认识。它必将带给你对生命宇宙的全新认识和一个积极快乐的人生。


佛法人生量子说


寻找薛定谔的猫:量子物理的奇异世界


量子力学与相对论


量子迷宫——历史 理论 诠释 哲学


时与光:从古典力学到量子力学的思维盛宴


上帝掷骰子吗?量子物理史话


物理学的未来  决定2100年的世界蓝图


心灵的未来:揭秘宇宙中最复杂的大脑


科学启蒙


宝宝的量子物理学绘本 中英文双语原版六册


从小爱科学·有趣的物理(全16册)


可怕的科学(全63本) 年销售已过千万!


尖端科学  讲述全球最前沿的科学探究


亲亲自然   涵盖儿童发展各大智能领域


写给小学生看的相对论(全4册)


皮皮鲁送你100条命  安全教育更有趣


德国孩子最着迷的科学小实验(提高版)


我们的身体超好玩、全面的人体百科


超级纸飞机(全2册)


世界万物的由来


万物运转的秘密 给青少年的物理世界入门书(精装版)


梅格时空大冒险(套装全5册)


这就是二十四节气(文津图书奖获奖作品,共4册)


DK儿童科学大百科


和老爸一起动手酷发明


超级科学(全4册)


世界万物的由来


世界是如何开始的


量子哲学


霍金三部曲:时间简史 果壳中的宇宙 大设计



弦理论 探究时间 空间及宇宙的本原


物理学之“道” 近代物理学与东方神秘主义


从科学到神:一位物理学家的意识探秘之旅


宇宙的琴弦:撩开了弦理论的神秘面纱


生物中心主义:意识是理解宇宙本质的关键


讲点颠覆常理的科学:假如时间不存在


终极理论


物质神话:挑战人类宇宙观的大发现


生命是什么:活细胞的物理观


悖论:破解科学史上最复杂的9大谜团


11:11时间的迷宫 将宇宙浓缩为数学公式


引力是什么 支配宇宙万物的神秘之力


终极理论  颠覆相对论 推翻量子力学?


永恒的终结 时间旅行的终极奥秘和恢宏构想


寻找时间的边缘:时光旅行真的存在吗?


超弦理论


世界为何存在?探索万物之谜的奇妙旅程


果壳中的宇宙  牛顿时空观是一个虚幻


从一到无穷大:科学中的事实和臆测


可畏的对称:探寻现代物理学的美丽


弦理论 物理学领域最有趣最活跃的研究课题


物理之书:科普界全能鬼才皮科夫力作


隐藏的现实:平行宇宙是什么


夜观星空:天文观测实践指南


量子佛学


量子佛学:与佛学朋友交流 非宗教人士勿入


佛法人生量子说 量子物理学方式顿悟佛法


新世界:灵性的觉醒


佛教的见地与修道  深入人心的佛学力作


金刚经修心课套装限量版 全四册限量1000套


断舍离+断舍离(心灵篇)+自在力 套装


百年佛缘 星云大师的集大成之作(全九册)


金刚经量子说


思维科学


FBI教你十分钟识别谎言:洞察对方心理秘密


FBI读心识人全集(读心术+攻心术+沟通术+心理操控术+气场修习术)


反直觉思考:斯坦福大学思维自修课


思考的艺术  批判性思维领域的“圣经”


怪异性格心理学:为什么才华横溢的人多数性格古怪?


剪刀石头布:如何成为超级预测者


批判性思维:全球广受欢迎的思维训练读本(原书第10版)


天才在左疯子在右  误入歧途的天才的故事


自我疗愈心理学  为什么劝自己比劝别人难


科学史话


爱因斯坦 想象颠覆世界


极简宇宙史  专为文科生讲的宇宙学知识


无言的宇宙 隐藏在24个数学公式背后的故事


时间的形状:相对论史话


万物简史:彩图珍藏版


量子群星闪耀时  现代最热门的量子知识


理工科思维


万万没想到:用理工科思维理解世界


数学之旅  数学史上的100个重大发现


化学元素之旅:改变历史的百大化学发现


物理之旅  讲述100个物理学重大发现


视觉之旅:神奇的化学元素


数学好的人是如何思考的


爱与数学  超越文化 超越地域 超越时空


大数学家 40位古今中外的伟大数学家 全2册


巫师 外星人和星舰 科幻与奇幻中的物理数学


思维魔方:让哲学家和数学家纠结的悖论


思维导图


      思维导图能全面调动人类左脑的逻辑、顺序、条理、文字、数字以及右脑的图像、想象、颜色、空间、整体思维的功能,使大脑潜能得到充分的开发。

 

思维导图:伴你学初中全套  数学 英语 语文 物理 化学


思维导图:伴你学高中理科全套(数学 英语 语文 物理 化学 生物


思维导图:伴你学高中文科全套(数学 英语 语文 政治 历史 地理


思维导图系列(套装5册)


数学 科学小达人


       教育的真谛是“教会学生思考”,而不是告诉他们答案。“小达人”这套绘本是真正适合儿童阅读的精神大餐,一定能够带领孩子们走进美妙的科学世界。


数学小达人:有趣的代数 1和2


数学小达人:生动的几何


科学小达人:魔幻的化学


科学小达人:奇妙的物理


哈佛经典


哈佛家训全集(Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 全四册)


哈佛凌晨四点半·小学图文版


哈佛凌晨四点半 初中实践版


哈佛凌晨四点半 高中实践版


笑死人不偿命的10万个哈佛财经冷笑话


成长 励志


儿童哲学智慧书全集(全9册:我,是什么?好和坏,是什么?知识,是什么?幸福,是什么?情感,是什么?生活,是什么?自由,是什么?社会,是什么?艺术和美,是什么?)


美国经典专注力培养大书 (全8册)


孩子没关系   逆商培养图画书(全5册)


最棒的成长(套装共6册)


激发孩子想象力的1000个奇思妙想(第一、二集,套装8册)


超级记忆术大全集 共4册 高效增强记忆力


善解童贞:0~6岁孩子的性发展与性关怀


美国经典学习能力培养大书(全12册)


儿童艺术博物馆 和孩子一起欣赏世界名画


意识之谜


意识宇宙:心灵现象中的科学真相


缠绕的意念:当心理学遇见量子力学


量子心世界 在宇宙中的无限可能中创造奇迹


大脑如何思维——智力演化的今昔


人脑之谜:探索大脑奥秘的科学之旅


自我实现的宇宙 科学与人类意识的阿卡莎革命


动物有意识吗?动物能够思考吗?有情感吗?


科幻文学


外星人就在月球背面


人类一半是外星人,一半是地球人


宇宙流浪者:生活在人类中间的外星人


三体:中国科幻文学里程碑式的作品


星际穿越:电影幕后的科学猜想 推测和事实


《三体》中的物理学


星际战争


神的九十亿个名字


失控:全人类的最终命运和结局


亚特兰蒂斯:基因战争


世界重启:大灾变后 如何快速再造人类文明


银河帝国:基地七部曲套装


巫师 外星人和星舰:科幻与奇幻中的物理数学


东方哲学


刘君祖完全破解易经密码


王阳明全集(权威足本)


老子辨正


图解易经 周易大全(全二册,2012白话图解版)


庄子心解 老子心解 道德经心释 天下大道 莲心禅韵


林语堂:孔子的智慧


林语堂:老子的智慧


鬼谷子全书 珍藏版 (插盒精装 全4册)


西方哲学


农夫哲学:关于大自然与生死的沉思


最好的告别:关于衰老与死亡,你必须知道的常识


人性与灵魂


内在的重生:心灵导师克里希那穆提空性流露代表作


康德三大批判合集(上下)


癌症真相:医生也在读


存在与虚无


美的沉思


梦的解析


像哲学家一样思考


科学百科


科学百科:全彩 DK经典畅销成人科普


DK微观世界大百科(精装版)(全彩)


“哈勃”的宇宙 最伟大的发现和最新的影像


宇宙波澜:科技与人类前途的自省


爱因斯坦专辑


为什么E=mc2?相对论普及读本


爱因斯坦的圣经


爱因斯坦 想象颠覆世界


爱因斯坦的困惑:上帝如何设计世界?


爱因斯坦的望远镜:搜索暗物质和暗能量


从奇点到虫洞:广义相对论专题选讲


匠人精神


工业4.0大革命


温家宝地质笔记


罗辑思维:迷茫时代的明白人


罗辑思维 : 成大事者不纠结


你所谓的稳定,不过是在浪费生命


匠人精神


哲学家们都干了些什么


幼小对接


学前专注力训练500题 (套装共4册)


名牌小学入学必备(套装6册)


125个游戏提升孩子专注力(全3册)


中国汉字听写大会 我的趣味汉字世界(儿童彩绘版)(1-5册)


汉语国学


《中国汉字听写大会 我的趣味汉字世界》 全四册



Copyright © 丰城计算器学习组@2017