较真 | 量子水杯、量子内衣……这些打着量子旗号的产品靠谱吗
较真 | 量子水杯、量子内衣……这些打着量子旗号的产品靠谱吗
2019
07/26
09:23
较真
企鹅号
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较真要点：
1“量子”近年来成为炙手可热的科技名词。目前，量子世界里，“量子+信息”领域进展最多。其产生的第一个应用是量子通信，第二个应用是量子计算。
2也许是因为量子世界太神秘了，所以产生了很多不切实际的幻想。比如有些人问，量子技术能否使人发生时空转移，从一个地方消失，而瞬间在另一个地方比如另一个星球上出现？答案当然是否定的，因为人是无法用量子态表述的宏观经典客体，经典客体不遵守量子力学规律。又如，有些人号称发现了双胞胎之间存在“心灵感应”现象，也把它称之为“量子纠缠”。不管这种现象是否真正的存在，可以确定的是，这肯定不是“量子纠缠”。
3至于形形色色的量子产品是否有效、是否能治疗疾病，笔者在这里下结论似乎有点冒天下之大不韪，但老板或者销售能否写出薛定谔方程，倒是一个必要的判断条件。当下很多所谓量子产品就像炒股票一样，在傍热点、玩题材、炒概念而已。
查证者：闰余成岁 | 物理博士
继物联网、云计算、大数据、3D打印等之后，“量子”近年来成为炙手可热的科技名词，并且很快从实验室走向了社会。据了解，“量子水杯”、“量子项链”、“量子内衣”甚至“量子护心卡”等多种量子产品在市场上出现，有的还成为了网络热销爆款。
那么，令人应接不暇的量子产品，真的有效吗？让我们从什么是量子说起。
一、量子理论难懂，但量子这个词并不复杂
通常物理系学生都要学习力、热、光、电等四小力学以及理论力学、电动力学、热力学与统计物理、量子力学等四大力学。根据笔者当时学习时的经历和体会，这些大小力学中，大部分同学都反应量子力学最晦涩而难懂。
的确，与其他力学主要难在复杂的数学方程不同，量子力学描述了一个跟经典物理截然不同的图景，或者说是超越了牛顿世界的新世界观，需要从思想上跳出牛顿力学框架来理解量子理论给出的论证和结论。
比如，宏观世界的物质，能量是连续的，但对于微观的原子、原子核、核外电子等，它们的能量却是分离化的，只能处于一系列能量不连续的能级，这种状态叫做量子化。当电子面对一堵高墙（势垒），即使它的动能小于高墙（势垒）的势能，但却仍有一定的概率穿越这堵墙，这在量子力学中可以通过严格的数学从薛定谔方程推导出来，并且在实验上得到证实。而这在经典力学中是绝对不可能发生的——正如车的动能不足够大就不可能爬上某个山坡。
又如，量子力学给出一个测不准原理，也就是对于微观世界的粒子，你不可能同时准确知道它的位置和速度（动量），当速度（动量）固定时，它的位置存在着大于某个常数的不确定性，反之亦然。这个原理根源于量子力学中测量的性质，对像空间位置、动能这样相互联系的力学量，不可能同时准确地测量。
所以，自二十世纪初诞生以来，量子理论似乎一直是一个独特的、不可感知的物理分支，在这个问题上，连被誉为继伽利略、牛顿以来最伟大的物理学家爱因斯坦也有过失误。他反对量子论的创立者波尔、薛定谔等人的观点，认为随机性是不可能的，如果有也是因为一些参数没有掌握，类似于求解方程缺少条件一样，因为上帝不会掷骰子。不过，后来却有越来越多的实验证实了量子理论的正确性。
回到量子这个名词，它来自拉丁语quantus，英文为“quantum”，意为“有多少”，代表“一定数量的某物质”，如果一个物理量存在最小的不可分割的基本单位，这个最小单位就称为量子，比如对于光的基本组成光子来说，每一个光子都是不可分割的最小能量单元，称为光量子，简称光子，光子等微观粒子所具有的状态，就称为量子态。
因此，牛顿定律统治的是宏观世界，量子力学和量子理论统治的则是微观世界。与牛顿方程相对应的量子世界的主宰是薛定谔方程。正是薛定谔方程揭开了一个博大精深而玄妙的新世界。
二、量子世界或许很大，但目前看得见的是“量子+信息”
量子世界里，量子叠加、量子纠缠、量子不可克隆定理等新奇的物理规律不断被推演和证实。
量子叠加指量子客体的状态可以同时处于多种不同的量子态上，如电子的自旋处于朝上状态和朝下状态的叠加态。著名的“薛定谔的猫”就是这样的一个例子，“一只猫可以同时是活的又是死的”。
量子纠缠指的是多粒子体系的一种叠加态，这种叠加态中不能清晰地看出每个组成粒子的状态。多个微观粒子组成体系处于纠缠态时，体系呈现出一种整体的性质，单个粒子的状态不能孤立存在，而是与其他粒子的状态相互关联，不管它们之间的距离有多远。
量子不可克隆定理则是基于量子力学的原理推出，说的是不可能对某个未知量子态进行完全相同的复制。
根据这些物理规律，结合现代信息理论，可以用量子态（原子、光子或亚原子粒子所处的状态）来表征和处理信息。我们把由一个具有两个量子态的量子客体作为量子信息的基本单元，叫做量子比特。量子信息的演变遵从薛定谔方程。信息的传输就是表征信息的量子客体的量子态的传输，信息的接收或提取就是对量子态进行测量，信息的处理或者说计算就是对量子态进行变换。
“量子+信息”产生的第一个应用是量子通信，它的理论基础是量子不可克隆定理、量子测量特性、量子纠缠等量子力学原理。量子通信包括量子密钥分发、量子安全直接通信、量子秘密共享、量子隐形传态和量子密集编码。其中，量子密钥分发、量子安全直接通信、量子秘密共享以保护信息的安全为目的，又称为量子保密通信或量子密码学。量子保密通信靠发现窃听，使得窃听者得不到信息来保证信息的安全。
对于传统的保密通信来说，它是通过使用复杂的数学变换将信息变换为密文来保证其安全的。但是随着计算机技术的发展，特别是量子计算机的发展，对这种保密通信的安全性带来了严重的威胁。
而对于量子保密通信来说，它的保密性不是基于复杂的数学密码，而是从物理上不让窃听者获得传输数据，因此可以抵御包括量子计算机在内的破译攻击，具有很高的安全性，特别是是随着未来量子器件和设备越来越完善，甚至可以达到“绝对的安全”。比如甲和乙要进行通信，甲每次给乙发射一个光子，如果丙想从中搞窃听，那么他首先要截获这个光子，通过测量光子的状态获取信息后，再把这个光子复制并转发给乙，量子不可克隆定理保证了丙的精确复制不可能得逞。当乙发现收到的光子状态与甲的描述不符，就会请甲放弃后续光子发射，以保证信息不被泄露。这就是一种最简化的量子密钥分发的原理。量子密钥分发是利用量子客体在有距离分离的双方传输随机数从而进行密钥协商，而量子安全直接通信则是利用量子客体直接在分开的双方之间直接传输信息。
“量子+信息”产生的第二个应用是量子计算，它的理论基础是量子叠加和量子纠缠。对于传统的电子计算机来说，它主要是基于晶体管的输出电压高低分别代表1和0进行数字和逻辑运算，其计算能力提高取决于晶体管的集成度，并遵从摩尔定律。随着半导体加工工艺进入纳米尺度及以下，量子效应开始显著，就必须基于量子力学重新设计计算机的体系结构及其运算规律。
量子计算超越传统计算的地方在于，量子叠加能让一个量子比特同时具备0和1两种状态，量子纠缠能让空间上独立的其他量子比特进行并行计算，从而使计算能力随着量子比特位数的增加呈现指数增长。已经知道，利用量子计算机可以指数地加速大数的分解，可以平方根地加速无序数据库的搜索。目前IBM和谷歌已经宣布研制出50个量子比特和72个量子比特的超导量子计算机，然而研制出通用量子计算机还有很长的路要走。在未来十年里，很可能会研制出具有几百个量子比特的没有进行纠错的量子计算机，其主要应用可能在量子模拟的研究。
三、“量子+生物”靠谱吗？
按大类划分，自然科学通常可以分为物质科学、生命科学和信息科学等。作为物质科学分支的量子力学，它与信息科学结合之后产生的量子信息科技，已经成为重要的前沿交叉学科。但是，虽然“量子+信息”获得了很大的发展，那么“量子+生物”靠谱吗？这里我们举两个例子。
基于量子纠缠，可以实现所谓量子隐形传态，也就是将甲地的某一粒子的未知量子态（量子信息），通过一对纠缠粒子，在乙地的另一个粒子上呈现出来。这个过程有点类似于神话中的“远距传物”，但实际上整个过程没有发生物质或能量的传递，而只是信息的传输，原来携带量子信息的粒子并未消失或者被传走。
基于此，有些人幻想，神奇的量子技术能否使人发生时空转移，从一个地方消失，而瞬间在另一个地方比如另一个星球上出现？答案当然是否定的，因为人是无法用量子态表述的宏观经典客体，不遵守量子力学规律。
又如，有些人号称发现了双胞胎之间存在“心灵感应”现象，也把它称之为“量子纠缠”。不管这种现象是否真正的存在，可以确定的是，这肯定不是“量子纠缠”。因为量子纠缠在测量时，其结果有多种可能，完全随机，不可能只得到要“感应”的结果。
至于形形色色的量子产品是否有效、是否能治疗疾病，笔者在这里下结论似乎有点冒天下之大不韪。但在国民科学素质整体有待提高的情况下，当下很多所谓量子产品就像炒股票一样，在傍热点、玩题材、炒概念而已。
本文编辑：marthaywang
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