量子计算机和通信的迷人之旅

我已经解释了量子力学的基本概念，并讲述了如何利用这些原理来解释单个原子、原子核以及多体系统（比如，金属和半导体）的性质。通过对激光、二极管、晶体管和光盘驱动器所蕴含的物理学原理的说明，我们现在对笔记本电脑、DVD播放器以及移动电话之类的现代科技产品的基本组成部分已经有所了解。在21世纪，这些产品已成为许多人日常生活不可或缺的部分。如果没有量子力学，我们已经习以为常的这些设备和装置，就根本不可能存在。

显然，我们尚未对计算机之类的电子消费产品的运行方式进行细致描述。通过巧妙地组合晶体管和二极管中的电流输入，人们能够构造出不同的体系，使得两束强电流互相抵消并得到一个低强度的电流（两个“1”组合在一起变成一个“0”），或者仍然得到一个高强度的电流（两个“1”组合在一起产生了另一个“1”）。类似地，如果一个电流值较高，而另一个电流值较低，则可以建造一个环形电路，根据需要输出或高或低的电流。由此，人们可以操控计算机中的“1”和“0”。对计算机中应用的布尔数学体系、逻辑门以及数据存储与处理方法进行全面讨论，将会是一件十分吸引人的事情（从我这个书呆子的角度来看是这样的），但这样的讨论并不会涉及新的量子力学原理和应用。

不过，我想顺便说一下，我们在第三部分讨论的物理学现象（放射性）有时会对以第五部分的物理学原理作为基础的装置（固态器件）产生干扰。几乎所有人都经历过在没有特殊原因的情况下，电脑程序毫无反应或完全崩溃的那种沮丧，这时只能通过重新启动操作系统来解决问题。有时候，这类问题的根源在于钍，它是一种放射性元素，是电路封装材料中的污染物（钍元素像铅元素一样常见）。当钍原子核发生衰变时，它会发射出一个阿尔法粒子，高能量的氦原子核会干扰某个晶体管中的电流。所以，量子力学赐予我们的东西，它也会收回去。

移动电话和无线电塔之间发送和接收电磁波信号，并与陆基路由器相连的策略是相当巧妙的。当前的系统使用非常复杂的协议来选定传输电话信号的最佳区域，或者“单元”，但是移动电话对基本量子力学原理的应用主要表现在晶体管和二极管的应用上。无绳电话的核心是“模—数”转换器，在将语音声波转换为电信号时（就像在传统的固定电话中那样），这个转换器会产生一个可变电压，再通过有效的运算放大器（由一系列的晶体管和电阻器组成），将该可变电压转换成“1”“0”的信号。显然，也必须存在能够进行反向操作的装置，这样“数—模”转换器才能将接收到的信号转化成我们听到的各种声音。

最新一代的移动电话的一个炫酷之处在于它的触摸屏。许多简单的触摸屏（如自助信息显示屏或自动取款机屏幕），可以探测由手指的电导和电容引起的电场变化；而最新的多点式触摸屏则会沿着屏幕的内表面传送发光二极管产生的红外光束。触摸屏会使一些红外光发生散射，通过检测屏幕后方的哪一个光电探测器接收到了散射光，可以判断出你手指的位置。触摸屏背后的量子物理学原理主要应用于红外发光二极管和光电探测器。

因此，我不想钻研各种电子产品的工作机制，这未必能为我们的量子力学讨论锦上添花。我打算用本书最后一部分来描述量子物理学将如何塑造未来，也就是说，我想要讨论的是那些从现在起5年、10年甚至20年后，即将走进人们生活的那些概念和装置。我不会尝试做预测，那只会徒劳无功，我更愿意解释与“量子计算机”和“纳米技术”等相关的量子力学原理。我们已经了解了量子力学的基础知识，接下来我们会讨论一些新奇的高级应用，或许在不久的将来，它们就会出现在你身边的电子消费品店中。

根据第18章的描述，应用了巨磁电阻效应和磁性隧道结的硬盘磁头传感器更加灵敏，这意味着磁头能够探测到更小的磁化“位”，从而使硬盘驱动器的存储容量增加。这些磁性传感器也能加快数据检索速度。传感器内磁层极化和去极化的速度很快，即使硬盘盘片以每分钟10000转的速度旋转，传感器也可以读取存储在磁化“位”中的信息。新一代“自旋电子半导体”装置甚至可以进一步提高计算机的运行速度，因为它不再需要独立的磁存储介质。

研究人员对利用电子内部磁场来处理信息的半导体晶体管结构产生了极大的研究兴趣。使用磁性金属作为半导体器件上的电极，就有可能将极化的电子注入半导体。通过改变半导体器件中的磁场，能够在不改变电荷载体浓度的情况下控制电流，就像我们在第17章中所讨论的场效应晶体管那样。研究人员的最终目的是研制一种器件，这种器件有用来代表“1”和“0”的“高—低”电流水平的更灵敏的“开—关”转换器，在两种状态间的转换速度更快，而运行时消耗的能量更少。

最后这一点很重要。计算机中的每一根晶体管在驱动电流从低值到高值再回到低值的过程中，都会产生少量的热（电流通过烤面包机的电阻丝或灯泡灯丝时都会产生热量，同样的物理学原理也适用于半导体晶体管）。数以百万计的晶体管被安放在一个有限空间里，将导致温度明显升高，限制集成电路的工作效率。因此，在大多数计算机机箱内都需要安装多个散热风扇。自旋晶体管的功率更小，可以彼此紧贴放置，使微处理器具备更强大的计算能力。

此外，如同在一个集成电路中那样，既有能力存储磁性信息也能操控“1”和“0”，这表明在单个芯片上整合磁性数据存储功能和计算机的逻辑功能是有可能的。在20世纪50年代晚期，当未知挑战者团队与一台能够进行独立思考的计算机进行对抗时，人们认为这种装置的尺寸必得与一间大房子相当。有了量子力学技术，未来我们甚至可以将自己的“ULTIVAC”放在后裤兜里随身携带。

对计算速度的需求驱使人们对量子力学在计算机中的更加不同寻常的应用产生兴趣，这种计算机通常被称为“量子计算机”。当然，从某种意义上来说，所有的计算机（除了算盘和计算尺）都是量子计算机，因为如果没有关于物质性质的量子力学理论，二极管和晶体管这两种基本的数据处理元件的发明根本无从谈起。

简单来说，相较利用流经半导体的或高或低的电流，或是利用其北极指向一个（或另一个）方向的磁性材料的一个区域来代表“1”或“0”，量子计算机中的原子就是“1”和“0”。有研究指出，量子计算机可以将原子、原子核、离子、光子或电子用作基本计算元件。为简便起见，我将重点讨论电子。电子具有+/2和-/2的内禀角动量，在量子计算机中，它们是代表“1”和“0”的元件。

尽管这种方式有可能最大限度地减小计算机的尺寸，然而仅凭这一点并不足以推动量子计算机的研究。量子计算机在理论上需要使用成对的全同粒子，它们以波函数重叠的方式排布。回想一下我们在第12章中提到的，当两个电子彼此足够接近时，它们的物质波将互相干涉。在这种情况下，我们用一条色带代表双电子波函数，色带的一面是白色的，另一面是黑色的。在图12-2中，色带两端朝外的面都是白色的。但是，我们也能够使色带两端朝外的两面都是黑色的，或者左边是黑色而右边是白色，反之亦可。为了表示这4种可能性（白、白；黑、黑；黑、白；白、黑），使用传统的计算机元件将需要两个晶体管，而且它们每次只能产生这些状态中的一种，也就是依次产生。

对第12章中的量子色带而言，这4种状态可能同时存在。假设色带处于一个黑暗的房间，并且我们不知道哪一面向外。在这种情况下，所有的4种状态都有可能出现，在我们打开灯并检查色带之前，色带都可以同时代表这4种可能的状态。需要4个独立的传统“位”才能表示的这4种状态，只需要两个“量子比特”或“量子位”就能搞定。尽管在处理多于两个相互纠缠的波函数时，色带的类比不再适用，但类似的论述仍然成立。因此，三个量子位即可代表8个不同的传统状态，10个量子位就可以完成1024个经典“位”的工作。(www.chuimin.cn)

这种并行能力意味着量子计算机的计算速度必然比传统计算机快得多。对国家安全、电子商务或仅信用卡在加油站的消费记录等信息进行加密，涉及一些大数的质数因子的知识，这些数字很大，即使最快的传统计算机也不能在合理的时间内计算出它们的质因数。然而，量子计算机可以凭借其同时运行多项任务的能力来改变这种状况。一个小尺寸的量子计算机原型机已经能够成功实现两位数的质因数分解（15=5×3），但是全面运行的量子计算机尚未问世，乐观估计还需要多年时间。然而，这类设备一旦被建造出来，数据安全和密码学领域将会发生巨变，届时要靠我们所有人的力量来保护这项技术不落入坏人之手。别忘了，在影片《变形金刚》（2007年）中，邪恶的霸天虎曾使用量子计算机侵入美国五角大楼的电脑安全系统，仅用10秒钟就破解了最强大的超级计算机花20年才能破解的密码。

现在，如果我说在进行检测之前，两个物质波重叠的电子可以表示所有4种自旋组合，可能像在说谎。你或许会说，任何一对晶体管都可以代表所有4种状态，如果我们没有监测通过它们的电流是高是低。但是，量子自旋的情况与之存在本质区别，这触及了有关测量在量子力学中作用的一些哲学争论的核心。

从这本书的开头到现在，我成功地迷惑了你们，现在是时候说出真相了。量子状态下重叠的电子波函数与涉及晶体管的传统情形之间的差异，以及量子色带可以同时代表全部4个可能结果的原因在于，如果色带始终处于黑暗中，也就是说，在我对其进行检查之前，色带颜色的概念是不明确的。

让我们暂时回到真实的电子世界。我已经详细说明了为什么一个电子只能具有两个可能的内禀角动量值中的一个，即或者顺时针旋转（自旋“向上”），或者逆时针旋转（自旋“向下”）。但是，我们从未问过这样的问题：“向上”或“向下”是相对什么来说的？顺时针或逆时针旋转围绕的是哪个轴？

与内禀角动量相关的是一个具有北极和南极的内部磁场。如果我不对这个磁场进行测量，换句话说，在没有外部磁场的情况下，我就不知道其磁极指向何处。如果我使用外部磁场并测量电子的磁场指向，那么内部磁场或者与外部磁场同向，或者反向（就像我们在第19章中讨论的核磁共振成像那样）。如果我施加的外部磁场的北极指向你所在房间的天花板，这就定义了“上/下”的方向，电子的磁场将指向天花板或者地面。如果外部磁场的方向指向你房间中的某一面墙，这也定义了“上/下”的方向，电子的磁场将会指向该墙壁或其对面的墙壁。如果我施加了一个外部磁场并测量电子的磁场，这定义了理解“顺时针旋转”和“逆时针旋转”的轴。然而，在我付诸行动以前，我只能说电子处于所有这些可能的状态。所以，一个量子系统可以同时代表多个可能的状态。[1]

爱因斯坦对这一情况有所察觉，他在晚年花费了相当多的时间和精力，试图解决它，因为它为信息的超光速传播提供了可能。比如，合理地安放两个电子，使它们的波函数重叠，并可以用一个双粒子波函数来描述，它们的总内禀角动量值为0。一个电子的内禀角动量值等于+/2，另一个电子的内禀角动量值等于-/2。假设我无法分辨这两个电子，但当我测量左边的电子并发现它的内禀角动量值是+/2时，我不仅能够从逻辑上推理出另一个电子的内禀角动量值肯定是-/2（因为我已经知道总内禀角动量值是0），而且我也能推断出第二个电子将绕着哪个轴进行逆时针旋转！测量第一个电子磁场的过程不仅为这个电子选择了一个方向，也为另一个电子选择了方向，因为它们都是包含了系统所有信息的波函数的一部分。

现在，有趣的地方来了。假设我有一条代表两个电子的可以无限延展的色带。我先抓住色带的一端，然后拖着色带的另一端穿过城镇，保持电子间的连接。接下来，我将其中一个电子置于一个外部磁场来测量它的自旋。这样做，我不仅会知道这个电子磁场的指向是与外部磁场相同还是相反，也定义了电子磁场的方向概念，还确定了另一个电子的性质。归根结底，这是因为两个电子被表示为同一个双电子波函数，因此其行为也像一个统一的实体。在这种情况下，纠缠的量子态如同童话故事中的双胞胎，以特殊的纽带彼此连接，发生在其中一人身上的事情瞬间便会被另一人感知。爱因斯坦表示反对，因为这将使信息从宇宙的一点传输到另一点，而且速度可能比光速还快。借用爱因斯坦那个著名的说法，这种现象代表着“如鬼魅般的远距离作用”，他拒绝接受这样的理论。

这种现象是否确实提供了一种即时信息传输机制？如果是这样，我们如何调和它与狭义相对论之间的矛盾，即任何事物包括信息，都不可能超过光的传播速度？已有不少著作以此为题，它至今仍是物理学家们争论的热点问题。正如大人被孩子问及“来世”之本质时所给出的答复，专家们对此也持有不同的见解。在被观察到的那一刻，量子系统究竟“发生”了什么？这样的问题定会激起你的阅读兴趣。不过，对这些问题的全面探究并不是本书的重点。所以接下来，在对两项内容进行简要论述之后，我将结束相关讨论。

首先，仅当两个电子被描述为单个波函数时，超光速信息传输的问题才能成立。而且，只在我将可以无限延展的色带越拉越远，色带也不会断裂时，才能实现超光速信息传输。正如你所料，色带被拉伸得越远，色带两端之间相互重叠的物质波就越容易受到一些干扰。一旦两端之间的连接被切断，对其中一个电子自旋状况的测量将不会对另一个电子产生任何影响，因为现在它们已成为两条不同的色带。这一过程可以高度概括为：为了使这一过程得以持续，两个电子波函数必须一直保持纠缠状态，任何干扰这一状态（破坏色带）的物质或能量都会导致退相干。实验物理学家一直忙于应对退相干这个巨大的挑战，一台量子计算机能否被研制成功，并发挥其潜能，仍有待考察。

其次，人们在已出版的科普读物中读到的有关“隐形传输技术”的最新实验，往往指的是关于量子态的信息传输，与上文描述的情况类似。研究人员并不是在进行像《星际迷航》中那样将人类进行“瞬间传输”的实验，也不是从宇宙中的某处向另一处发送原子或电子。所以，在未来相当长的一段时间里，你仍然无法摆脱每天的通勤辛苦。

图20-1　在《美国正义联盟》（Justice League of America Colleagues）第19期中，原子侠（其真实身份是物理学教授雷·帕尔默）向他的美国正义联盟战友们讲述关于量子纠缠的最新实验，即安东·蔡林格及其同事发表在1998年的《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的相关研究成果。第二幅图表现的是对于量子力学原理的过度解读，“我们将避开这一陷阱，就像我们避开正义联盟可能遇到的所有其他陷阱那样”

最近的一些实验确实支持了这样一种观点，即关于两个纠缠的量子的信息，比如光子的极化，即使相隔很远也能传播。这是因为，现在的实验技术更加先进，以前只存在于理论上的构想已能被实验证实，比如图20-1中1998年第19期《美国正义联盟》冒险故事的情节。与早期的科幻作品预言科学发展的情况不同，现在，科学正在赋予漫画创作的灵感。

[1]这类似于第7章中讨论的位置和动量测量的问题，你得到的答案将取决于你提出什么样的问题。