潘建偉
“我是獨一無二的，擁有自主意識，我的行為可以影響體系的演化，這是量子力學和牛頓力學根本的不同。”近日，在湖心講堂公開課上，著名量子物理學家、中國科學技術大學常務副校長潘建偉說。
上帝到底擲不擲骰子？這一物理學的經典之問，一直是很多人津津樂道的話題。
牛頓力學告訴我們，所有粒子的運動狀態都是可以精確預言的，這就會引起“決定論”的概念。在美劇科幻片《西部世界》里的機器人，自認為自己是具有自主意識的，但事實上，其每一個舉動都是由后臺程序所設定：下一時刻要做什么、說什么，早就像拍電影一樣被確定好了。
那么，這個世界到底是決定論的，還是在本質上是不確定的、以至于允許我們有自主意識和自由的思想呢？如果本質上是不確定的，我們又該如何從物理學角度來證明這一點？
“目前的科學理論是：我們的世界不是決定論的。有了這樣的新理念后，我們可以做很多有趣的事情。”潘建偉說。從愛因斯坦的好奇心到近年來量子信息技術的發展，在科學家們的引領中，我們走入量子力學的奇妙世界。
上帝擲骰子嗎？
量子力學誕生后，以玻爾、海森堡和泡利為主的哥本哈根學派一直認為，量子力學本身已經是完備的理論，而愛因斯坦則一直批評它并不完備。
在量子力學中，世界由兩種基本成分組合而成。其一是波函數，也即一種平滑的、可以完全確定的數學表達式，它代表了關于粒子位置和特征的無數種可能性，可以用來描述粒子的信息。其二是波函數的塌縮，也即實現一種可能性并消除所有其他可能性。
愛因斯坦認為，量子力學只能描述處于相同環境中為數眾多而又彼此獨立的粒子全體，而不能描述單個粒子的運動狀態。因為單個粒子的運動狀態必須是決定性的，而不能是統計幾率性的。因此，愛因斯坦相信上帝不擲骰子，我們對于粒子運動狀態的描述必然會有一種確定規律或公式來測算。
玻爾則認為，量子世界是虛幻的、不真實的，只有對量子世界進行了測量之后的結果才是真實的。而現有的量子力學理論并沒有問題，它恰好可以計算這個復雜的量子世界，并且符合實際。在他看來，不確定性也是自然的一部分。
現場，潘建偉用兩個實驗來解釋這種爭論的產生。
當打開手電筒照過一條縫時，光線會呈現中間亮，兩邊漸漸變暗的形態。而當我們重復做這個實驗，并將光源不停減弱，最終在屏幕上可以發現，在每個確定的時刻，會看到一個點、一個點的出現。實驗重復多次后，還可以發現，這些點的分布概率與之前實驗情況是完全一致的。單次實驗中出現的一個點，就是所謂的“單光子”。其實，光是由很多小顆粒組成的，反復減弱光源后看到的小顆粒就是光能量的最小單元——光量子。
而進入雙縫實驗，我們首先只開一縫，會看到這條縫四周集中了很多小點，最后的分布狀態為高斯分布。那么，當兩條縫同時打開時，我們會看到什么現象呢？按照通常的觀念，單光子是不可分割的，單次過程中，其應當從某一條縫中通過。兩條縫都打開時，應是一種簡單的概率疊加，其結果仍呈現高斯分布的狀態。
但事實并非如此。在兩縫皆開的情況下，屏幕上光子數目越來越多，就出現了干涉條紋。在量子力學中，按照玻爾和海森堡的觀點，首先光子確實是一個粒子，但它在自由飛行時，狀態是由波函數來描述的。在探測到光子之前，光子沒有一個確定的位置。通過雙縫之后，波函數的干涉就會影響光子出現的概率分布，就類似于經典波干涉一樣。
按照這樣的觀點，最后在屏幕上探測到光子的時候，光子就會坍縮成一個點，隨機地出現在某個地方。在重復實驗多次后，我們會發現，單光子像波一樣，是同時通過兩條縫，但是光子的位置是完全不確定的，其出現在某個點的概率，是由兩個波函數相干疊加決定的。
可以看到，量子力學用波函數的形式解釋了這一現象。
“‘上帝到底擲不擲骰子’這個問題很重要。從某種意義上來說，它跟人有自由意志與否，是緊密相連的。”潘建偉說，因此，如果上帝擲骰子，人就可能還有一點自由意志；如果上帝不擲骰子，我的命運和做什么事情，都是方程決定的。
我們可以穿越時空嗎？
在近年來的許多穿越劇里，我們經?？梢钥吹竭@樣的橋段：男主角或女主角借助量子力學的作用，在某種神秘力量的裹挾下，穿過時空隧道，穿越到古代或現代，并由此開啟一段驚險奇幻的故事……
那么，在現實的研究中，量子力學又是否真的具備帶人“穿越時空”的“魔力”呢？這就要說到量子糾纏。
根據量子力學原理，量子世界中的一只貓，當我們沒有去看這只貓時，貓可以處于死和活狀態的相干疊加。物理量的值不是預先確定的，你去決定測量的時候才會決定它是什么性質；測量的結果是隨機的，也就是說觀測者的行為會影響體系的演化；同時，這也告訴我們，對于單個量子的未知態我們是不能像手機一樣里面的信息做簡單的復制的。
“利用量子糾纏的幫助，我們是可以像孫悟空的筋斗云一樣，將量子信息從一個地點送到另外一個地點。但前提是，這種傳送是在非常有限的空間內。”潘建偉以時間和空間做了一個比喻：如果上海和杭州有一團糾纏物質，人又想快速穿梭兩地，那么理論上，是可以對這個人和那團糾纏物質做一番操作，使得人身上的每一個原子與糾纏物內的原子糾纏起來；并通過測量得到一組數據，了解它們處于哪種糾纏態，然后將這個信息通過無線電臺發射到杭州，通過在杭州對這種物質的可控操作，我們就可以用同樣多的物質將這個人在杭州重新構造出來。
那么，這是一種復制現象嗎？“并非復制。因為這個‘被傳送’的人在完成這個過程之后，原來在上海的他已沒有任何留存的信息，他只是被用同樣多的物質在杭州又重新構造了出來。”潘建偉說。
“當然，人能不能被傳送尚且是未知數。但一個原子的狀態是可以實現的，幾百個原子狀態也是可以的，目前這些在實驗上都已得到證實。”潘建偉說，這一原理可用來做量子計算的基本單元：量子信息在網絡中可自由走動后，研究人員就可以利用量子疊加來進行量子信息的處理，這就是量子計算機。
量子力學“實用”嗎？
說起來，量子科技最為人說道的，還是其中的量子加密通訊技術。
實現信息的安全傳送，自古以來就是人類的夢想。在公元前7世紀，古希臘斯巴達人就通過將一個布帶纏到加密棒上，寫上諸如“明天發動攻擊”的密信，命令發布后，如果他人沒有同樣半徑的加密棒，就無法順利讀出這一信息，這便是最原始的加密方法。
到了公元前1世紀左右，凱撒大帝發明了更好用的辦法——通過移動26個字符順序的方式對信息進行加密，如“明天發動攻擊” 就變成DWWD，那么只有預先約定的人才會知道這個命令的含義。
這些聰明又古老的加密算法，其實可以用字符出現頻率的方法加以破解。
二戰期間，人們又設計了更加復雜的密碼，到后來還有RSA公鑰加密算法，但隨著計算能力的提升，這些加密方法都被一一破解。
另外，人類不斷增長的對計算能力的巨大需求，也是我們當前信息科技領域面臨的一大問題。20世紀40年代的 Colossus 計算機，重量1噸，功率8.5千瓦，每秒運算速率五千次，當時人們覺得這已經很快了，當時按照IBM的前總裁 Thomas Watson 的說法，全世界大概只需要五臺這樣的計算機就夠了。但到了2010年時，每個人擁有的智能手機已經可以實現每秒鐘5萬億次的運算，功耗不超過5瓦，其計算能力是當年美國阿波羅登月計劃計算能力的總和。
在潘建偉看來，量子通信可以提供原理上無條件的安全通信方式；量子計算則可以提供超快的計算能力，來揭示復雜系統的規律。在研究愛因斯坦百年之問的過程中，目前的量子力學已經初步地為突破信息安全和計算能力的瓶頸做好了準備，而且也為回答上帝到底是否擲骰子提供了可能的答案。
“某種意義上來講，量子力學是現代信息技術的硬件基礎。與作為軟件基礎的數學相結合，數學與物理奠定了整個現代信息技術的基礎。”潘建偉說。
誠然，無論是核能、晶體管的發現，還是核磁共振、高溫超導材料、巨磁阻效應的發現等，量子力學規律在應用過程中，帶來了諸多技術革新。對量子規律的被動觀測，并非僅作用于微觀世界，它已在很大程度上改變了我們如今的生活。第一次量子革命直接催生了現代信息技術。
“一部手機里就凝聚了很多跟量子力學相關的基礎物理、基礎化學成果：半導體器件是2009年諾貝爾物理學獎，集成電路是2000年諾貝爾物理學獎……一部手機當中，有八項諾貝爾獎成果在里面。這足以可見像量子力學這樣的基礎研究的重要性。”潘建偉說。
從高功率X波段脈沖式電子順磁共振譜儀等自主研發磁共振實驗裝備，到任意波形發生器、任意序列發生器等量子測控器件與系統等，在前不久剛剛落下帷幕的第十七屆長三角科技論壇上，中國科學技術大學研發團隊就分享了他們正在挖掘的量子科學技術價值潛力，用以研制高端科學儀器。“科學儀器的自主研制是實現自主創新的重要基礎。”中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰說，目前我國在科研儀器研制領域雖取得一定進展，但很多高端科學儀器仍依賴進口。這不僅成為我國每年科研固定資產投資負擔，更為后續科研工作的開展帶來諸多不便。在這一方面，以量子通信、量子計算、量子精密測量為代表的量子科學技術研究成為“解題”關鍵。
潘建偉說，未來通過10到15年的努力，他希望科學家們能夠在量子通信方面，進一步提升信息安全。同時，利用在空間中發展的技術，發射中高軌衛星，從而在太空中也可以進一步做引力和量子理論相關的驗證工作；在量子計算方面，他希望我國未來能夠構建起具有基本功能的通用量子計算原型機，探索對密碼分析和大數據分析方面的相關應用。“我相信，隨著人工智能研究的發展和量子計算機硬件的發展，我們可能可以構建出理解甚至超越人類的智慧，探索更多未知而神秘的領域。”潘建偉說。
