CIS科研项目:真的猛士,敢于拥抱量子力学!

 

CIS:前不久,网友评选出了2019年度最沙雕新闻——“量子波动速读”,把“量子”一词推到风口浪尖,霎时间,“量子”成为了普通群众口中频频提及的热词。

其实,在“量子波动速读”这种让人哭笑不得的魔幻现实出现之前,“土味量子神棍学”在科幻小说中早已屡见不鲜,一些“科幻作家”在剧情存在bug的时候常常强行大开脑洞,用“量子力学”来蒙混过关,企图靠不明觉厉的神秘力量来忽悠读者。

因此,科幻迷中流行着一句颇具讽刺意味的笑话:“遇事不决,量子力学。”

那么,《超人》漫画中的超级英雄超人将煤炭挤压成两块大钻石,《海底两万里》里面的“鹦鹉螺”号能远距离航行并且不需要补充燃料,《X战警》漫画中的“万磁王”使用变种人超能力时金属物理向着他的方向弯曲,《变形金刚》中邪恶的霸天虎使用量子计算机侵入美国五角大楼电脑安全系统,这些令人感到无比困惑又充满好奇的情节只是创作者们脑洞大开的随意想象吗?星际旅行、时空穿越、瞬间移动……无数的文学和影视作品为我们展现的仅仅只是人类对未知世界的幻想和期待吗?

也许你从未想过,这些看似异想天开的科幻情节里,都隐藏着量子力学知识。量子力学,是当今物理研究的最前沿。量子力学的发展推动着现代科技的发展,改变着我们世界的方方面面。

但对于普通群众来说,量子力学看似高深莫测。量子力学什么鬼?薛定谔的猫?黑洞?测不准原理?恐怖的双缝实验?


 

其实,这都是量子力学。有些人感觉这玩意儿神秘遥远反直觉,其实它也不是什么狰狞大怪兽。

量子力学究竟是什么鬼?

量子力学也是自然科学史上被实验证明最精确的一个理论,但是量子的观念,没有人能够理解。不仅是普通人,而是连世界上最顶尖的五位量子物理学家之一的理查德·菲利普斯·费曼(Richard Phillips Feynman)也是自认“不真正理解”量子力学的。

1964年11月,费曼在康奈尔大学开展的系列讲座“The Character of Physical Law(物理定律的本性)”中说:“我想我可以有把握地说,没有人真正理解量子力学。”为什么呢?他在那场讲座中也给出了自己的答案:

我们要描述的是跟你以往熟悉的任何事物都不相同的对象……它是抽象的、远离经验的……如果能避免的话,尽可能不要问自己“它为什么是那个样子?’因为这样会让你陷入一个谁也逃不出来的死胡同里。谁也不知道它怎么会像那个样子。”

——理查德·菲利普斯·费曼

“它”泛指自然界中的一切量子。而量子,根据中国科技大学上海研究院教授陆朝阳的说法,“其实是一种物理上的概念,它是物质和能量的最小离散单元,是一个非常小的物理量。”量子力学“之所以非常难以理解,其实是因为它‘尺度太小’,它的研究对象实际上比头发丝的尺度还要小几千万,甚至几亿倍。

尽管量子力学中有太多让人既无法理解,又不得不承认它们切实存在的诡异现象。譬如波函数坍缩、譬如量子纠缠、譬如量子擦除实验、譬如惠勒延迟实验……但科学家们并不停步,这也丝毫不会阻碍量子力学的发展。

量子力学的研究对于我们人类的生存有什么作用?

量子力学,充满许多匪夷所思的怪论,但是一切的实验和计算,都验证出它是对的。原理虽没澄清,但不妨碍科学家们将它转化为技术,真正为人类社会造福。

自1900年诞生以来,量子力学催生了许多重大发明——原子弹、激光、晶体管、核磁共振、全球卫星定位等。带来这些成果的“第一次量子革命”改变了世界面貌,成为社会跨越发展的基石和动力。2014年,英国《自然》杂志吹响“第二次量子革命”的号角。

而这次革命,同时也带来了以量子通信技术和量子计算为代表的新技术,将成为解决人类对能源、环境、信息等需求的重要手段,有着推动科学、工业和社会取得革命性进步的巨大前景。这是一次巨大的飞跃。

目前,这一领域的国际竞争不断加剧,欧美纷纷启动“第二次量子革命”计划。谷歌、IBM、微软等世界知名公司均有介入。量子信息时代,或许是一个重新洗牌、弯道超车的机会。

利用量子纠缠现象,我国已经于2016年8月发射了世界上首颗量子通信实验卫星,领先全球。2016年8月16日,我国发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”

2017年5月3日,世界上第一台超越早期经典计算机的量子计算机在中国诞生,量子力学取得现实应用的重大突破。

量子计算机离我们已经如此之近。

量子力学正在渗透到科学的各个领域,也已经让我们的生活翻天覆地。随着对于量子力学研究的深入,实用化的量子产品终将迎来井喷的一天。

颠覆思维,走进量子力学的奇妙世界

毋庸置疑,量子力学一词将会在我们的生活中出现得越来越频繁。尽管我们对于量子的无知,就像300多年前人类对于光的无知一样,难道我们普通人听到“量子力学”这四个字就只能昏过去?

如果我们能了解量子力学的一些基本知识,打破定势思维,不再拘泥于已知逻辑,而是用具有颠覆常识性的量子眼光去看世界,是能够走进量子力学的奇妙世界,应对迅速变化的世界的。

真的猛士,敢于拥抱量子力学,敢于开启新世界的大门。

想了解却无从下手?

如果真的想学量子力学,没有捷径。千万不要看几本科普书,知道几个名词,就自以为懂了。这么自学量子力学,会毁了你。自学,一知半解,没有相关基础,自己花的时间完全没有意义。

量子力学入门重要的是概念的理解, 不是根据经典的或是科普书上的说法来理解, 而是按实验结果来理解。如果是为了从事研究,那就更要先把基本功练好。只有清晰把握了量子力学的形式体系和核心概念,才能懂得量子力学的神秘,不至于找不到北。

如果你想了解量子力学的神奇世界,欢迎加入2020年1月CIS线上科研项目

杜克大学物理系终身教授

Thomas Carlos Mehen



带你入门量子力学及量子计算,开启新世界的大门!

Thomas Mehen教授的研究主要是量子色动力学(QCD)和有效场论在核物理和粒子物理中的应用,他主导开发了被用于计算机玻色-爱因斯坦凝聚物能量密度的三体修正技术。曾获得美国能源部授予的核物理杰出青年研究员称号。

从1996年至今,Thomas Mehen教授已在《高能物理杂志》(JHEP)、《物理快报》(PLB) 、《物理评论》(PRD)等国际著名专业期刊及PHIPSI13、CIPANP 2009等高水平的国际专业会议上发表论文一百多篇,成果斐然。

此外,Thomas Mehen教授还曾经受邀参加国际专业学术研讨会及演讲逾百次,包括劳伦斯伯克利、洛斯阿拉莫斯、阿贡、布鲁克海文等在国际上享有盛誉的美国著名核试验室研讨会和耶鲁、MIT、伯克利等名校学术会议,以及在世界各国如中国、德国、西班牙、意大利、德国等地举行的国际性专业会议。

特别值得注意的是,Thomas Mehen教授长期关心和支持中国物理学的发展。早在2004年,他就到访中国科学院高能物理研究所并作了精彩的学术报告。自那以来他已多次到访中国,给国内各大高校(北大、北航、首都师范等)、研究所的师生作学术讲座,并进行技术指导和交流。

在Thomas Mehen教授指导过的研究生及博士生中,也有不少来自中国的学生,所以教授非常清楚中国学生在面对物理问题研究中可能出现的问题,以及如何更好地指导中国学生。对量子力学及量子计算感兴趣的你,赶紧抓住这次机会,在大牛导师的指导下拥抱量子力学吧!