物质的基元构建块,亦或是能量的最微小载体,被称作量子。所有那些微观的实体,无论是分子、原子、电子还是光子,它们都是量子的表现。以水为例,日常饮用的水可不断分割至水分子,即量子的形态。
构成宇宙万物的物质,皆由无数微观粒子集合而成。因此,从某种意义上讲,人类自身即是众多量子的结合,整个宇宙也同样由量子构筑。既然量子已是物质的最小单元,自然不能再被分裂。
然而,量子拥有一个奇特的性质,即量子叠加。在我们熟悉的宏观世界,事物总是确定的,譬如一只猫的生死,或是一个人在楼中的位置。但量子世界中,只要不被外界干扰(即不被测量或观察),就能维持不确定的状态。也就是说,猫可以既死又活,同时处于生死之间的叠加态(参考薛定谔的猫思想实验),人也能同时存在于不同楼层。这样的不确定性使得量子无法被完美复制。
再者,量子之间还有一种奇妙的关联,即量子纠缠。在微观领域,两个粒子间可能存在纠缠状态,对其中一个进行操作或测量,另一个粒子远在天涯亦能瞬时作出响应,即便两者相隔甚远。
举个例子,若甲乙二人分别在北京和上海同时投掷骰子,通常不可能每次都得到相同的结果。但因纠缠关系,两个骰子似乎有了某种心灵感应,每次投掷的结果都能完全一致。爱因斯坦将此现象称作“鬼魅般的超距作用”。
为何量子会展现这样的行为,至今仍为未解之谜。不过,即使不清楚其中的缘由,这也不妨碍我们利用量子特性为己所用。
以信息安全为例,在传统通讯中,只需窃取少量信息,就能实施有效窃听。如同尝一滴水便能分辨其是甜是咸,获取全部信息轻而易举。然而在量子通讯中,通讯双方会通过量子来传递无数的密钥。由于量子既不可分割也不可复制,窃听者无法悄无声息地获取信息,因为一旦尝试便会立即被发现,使得密钥作废,双方随即重新发送新的密钥来加密信息。
量子通信的运用,有望彻底解决国防、金融、政务以及商业等领域的信息安全问题,正因如此,量子力学被视作继微电子信息技术后,最有可能在军事、经济及社会领域引发新一波革命的关键技术。
量子技术若应用于计算机,则能大幅提升计算能力。举例来说,使用当今全球最快的计算机去解决一个包含10的24次方参数的线性方程组,可能需要百年以上。但若用一台量子计算机,则仅需不到一秒即可完成。
至于量子隐形传态,或许更能吸引公众的兴趣,因其与“穿越”概念相关。科幻作品中常见一种神奇的机器,人步入其中便消失,随即在遥远的他处重新出现。在量子世界,这种传送在原理上是可行的。借助量子纠缠,将一人分解为基本物质形态,将信息传递至远方后,利用纠缠的粒子重构,便可得到与原本人一模一样的个体,记忆、意识丝毫无差。
尽管量子力学背后仍有众多谜团待解,但不可否认的是,量子科技已深植于日常生活。终有一日,科学家们将揭开量子世界的神秘面纱。
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