數千年來，人類一直依靠天生的直覺來認識自然界運行的原理。雖然這種方式讓我們在很多方面誤入歧途，譬如，曾一度堅信地球是平的。但從總體上來說，我們所得到的真理和知識，遠遠大過謬誤。正是在這種雖緩慢、成效卻十分積極的積累過程中，人們逐漸摸索總結出了運動定律、熱力學原理等知識，自身所處的世界才變得不再那么神秘。于是，直覺的價值，更加得到肯定。但這一切，截止到量子力學的出現。

這是被愛因斯坦和玻爾用 “上帝跟宇宙玩擲骰子” 來形容的學科，也是研究“極度微觀領域物質”的物理學分支，它帶來了許許多多令人震驚不已的結論——科學家們發現，電子的行為同時帶有波和粒子的雙重特征(波粒二象性)，但僅僅是加入了人類的觀察活動，就足以立刻改變它們的特性;此外還有相隔千里的粒子可以瞬間聯系(量子糾纏)：不確定的光子可以同時去向兩個方向(海森堡測不準原理);更別提那只理論假設的貓既死了又活著(薛定諤的貓)……

量子理論的基本原理

經過幾千年的爭論，我們現在終于知道了，物質追根究底是由像電子、夸克這樣的微觀粒子組成的。這些小家伙像樂高積木一樣組合在一起，形成了原子和分子，而原子和分子又是拼成宏觀世界的“樂高積木”。

為了描述微觀世界是如何運作的，科學家發展出一套叫量子力學的理論。這個理論做出的預言雖然非常古怪(例如，粒子可以同時出現在兩個地方)，但它是目前物理學中最精確的理論，在過去近百年里經受住了嚴格的檢驗。沒有量子理論，我們周圍的許多技術，包括電腦和智能手機里的芯片，都是不可想象的。

量子理論很古怪，但它的正確性不容懷疑。科學家們所爭論的，僅僅是如何解釋它。

“量子”到底是什么?

比如：把這罐辣醬放到廚房儲物柜里。”儲物柜是分層的。你可以選擇放在這一層或那一層，但你總不能把辣醬放在相鄰兩層之間，譬如2.5層吧。因為那是沒有意義的。

用物理學上的術語說，你家的儲物柜是“量子化”的，只能分成離散的一層，兩層，三層……不可能再細分為0.6層，1.5層，2.8層，3.45層……

在量子的世界里，任何東西也都是量子化的。舉例來說，原子中的電子只能呆在一些離散的能量層里(稱為能級)。跟你家廚房的儲物柜一樣，兩個相鄰的能級之間，是沒有它的立足之地的。

但是量子的行為十分詭異。假如你給待在較低層的電子一個能量，它就會跳到更高的層。這叫量子躍遷。不過，你給的能量必須合適才行，即剛好等于兩層之間的能量差，否則它會“耍脾氣”拒收。

設想你腳下有一個“量子足球”，在你10米之外有一些由近及遠的溝，它們相當于一條條能級。一般人會想，用的力太小，固然球飛不起來，但用的力很大，讓球飛起來總沒問題吧?但事實上不是。僅當你踢“量子足球”的力不多不少剛好能讓它掉到這條那條溝里的時候，它才會呼嘯而起，否則任你怎么踢，它也會待在原地不動。很奇怪吧?

還有另外一個類比。假如你駕駛著一輛“量子汽車”，你只能以5千米/時、20千米/時或80千米/時的速度行駛，在它們之間的速度是不允許的。換擋的時候，你突然就從5千米/時跳到了20千米/時。速度的變化是瞬間發生的，你幾乎覺察不到加速的過程。這可以叫速度的“量子化”。

上述例子已經讓你稍稍領略了量子世界的詭異。說實話，統治我們熟悉的“經典”世界的規則在微觀世界基本上都失效了。只有少數幾個碩果僅存，像能量守恒、電荷守恒等等。

諸如以上，這些研究結果往往是顛覆性的，因為它們基本與人們習慣的邏輯思維相違背。以至于愛因斯坦不得不感嘆道：“量子力學越是取得成功，它自身就越顯得荒誕。”

到現在，與一個世紀之前人類剛剛涉足量子領域的時候相比，愛因斯坦的觀點似乎得到了更為廣泛的共鳴。量子力學越是在數理上不斷得到完美評分，就越顯得我們的本能直覺竟如此粗陋不堪。人們不得不承認，雖然它依然看起來奇異而陌生，但量子力學在過去的一百年里，已經為人類帶來了太多革命性的發明創造。

陌生的量子，不陌生的晶體管

美國《探索》雜志在線版給出的真實世界中量子力學的一大應用，就是人們早已不陌生的晶體管。

1945年的秋天，美國軍方成功制造出世界上第一臺真空管計算機ENIAC。據當時的記載，這臺龐然大物總重量超過30噸，占地面積接近一個小型住宅，總花費高達100萬美元。如此巨額的投入，注定了真空管這種能源和空間消耗大戶，在計算機的發展史中只能是一個過客。因為彼時，貝爾實驗室的科學家們已在加緊研制足以替代真空管的新發明—— 晶體管。

晶體管的優勢在于它能夠同時扮演電子信號放大器和轉換器的角色。這幾乎是所有現代電子設備最基本的功能需求。但晶體管的出現，首先必須要感謝的就是量子力學。

正是在量子力學基礎研究領域獲得的突破，斯坦福大學的研究者尤金·瓦格納及其學生弗里德里希·塞茨得以 在1930年發現半導體的性質——同時作為導體和絕緣體而存在。在晶體管上加電壓能實現門的功能，控制管中電流的導通或者截止，利用這個原理便能實現信息編碼，以至于編寫一種1和0的語言來操作它們。

此后的10年中，貝爾實驗室的科學家制作和改良了世界首枚晶體管。1954年，美國軍方成功制造出世界首臺晶體管計算機TRIDAC。與之前動輒樓房般臃腫的不靠譜的真空管計算機前輩們相比，TRIDAC只有3立方英尺大，功率不過100瓦。今天，英特爾和AMD的尖端芯片上，已經能夠擺放數十億個微處理器。而這一切都必須歸功于量子力學。

量子干涉搞定能量回收

無論怎樣心懷尊敬，對于我們來說，都不太容易能把量子力學代表的理論和它帶來的成果聯系在一起，因為他們聽起來就是完全不相干的兩件事。而“能量回收”就是個例子。

每次駕車出行，人們都會不可避免地做一件負面的事情——浪費能量。因為在發動機點燃燃料以產生推動車身前進的驅動力同時，相當一部分能量以熱量的形式散失，或者直白地說，浪費在空氣當中。對于這種情況，美國亞利桑那大學的研究人員試圖借助量子力學中的量子干涉原理來解決這一問題。

量子干涉描述了同一個量子系統若干個不同態疊加成一個純態的情況，這聽起來讓人完全不知所謂，但研究人員利用它研制了一種分子溫差電材料，能夠有效地將熱量轉化為電能。更重要的是，這種材料的厚度僅僅只有百萬分之一英尺，在其發揮功效時，不需要再額外安裝其他外部運動部件，也不會產生任何污染。研究團隊表示，如果用這種材料將汽車的排氣系統包裹起來的話，車輛因此將獲得足以點亮200只100瓦燈泡的電能—— 盡管理論讓人茫然，但這數字可是清晰可見的。

該團隊因此對新型材料的前途充滿信心，確定在其他存在熱量損失的領域，該材料同樣能夠發揮作用，將熱能轉變為電能，比如光伏太陽能板。而我們只需知道，這都是量子干涉“搞定”的。

不確定的量子，極其確定的時鐘

作為普通人，一般是不會介意自己的手表快了半分鐘，還是慢了十幾秒。但是，如果是像美國海軍氣象天文臺那樣為一個國家的時間負責，那么這半分半秒的誤差都是不被允許的。好在這些重要的組織單位都能夠依靠原子鐘來保持時間的精準無誤。這些原子鐘比之前所有存在過的鐘表都要精確。其中最強悍的是一臺銫原子鐘，能夠在2000萬年之后，依然保持誤差不超過1秒。

看到這種精確的能讓人紊亂的鐘表后，你也許會疑惑難道真的有什么人或者什么場合會用到它們?答案是肯定的，確實有人需要。比如航天工程師在計算宇宙飛船的飛行軌跡時，必須清楚地了解目的地的位置。不管是恒星還是小行星，它們都時刻處在運動當中。同時距離也是必須考慮的因素。一旦將來我們飛出了所在星系的范圍，留給誤差的邊際范圍將會越來越小。

那么，量子力學又與這些有什么關系呢? 對于這些極度精準的原子鐘來說，導致誤差產生的最大敵人，是量子噪聲。它們能夠消減原子鐘測量原子振動的能力。現在，來自德國大學的兩位研究人員已經開發出，通過調整銫原子的能量層級來抑制量子噪聲程度的方法。它們目前正在試圖將這一方法應用到所有原子鐘上去。畢竟科技越發達，對準時的要求就越高。

量子密碼，戰無不勝

斯巴達人一向以戰斗中的勇敢與兇猛聞名于世，但是人們并不能因此而輕視他們在謀略方面的才干。為了防止敵人事先得知自己的軍事行動，斯巴達人使用一種被稱作密碼棒的東西來為機密信息加密和解密。他們先將一張羊皮紙裹在一根柱狀物上，然后在上面書寫信息，最后再將羊皮紙取下。借助這種方式，斯巴達的軍官能夠發出一條敵人看起來語無倫次的命令。而己方人員只需再次將羊皮紙裹在同等尺寸的柱狀物上，就能夠閱讀真正的命令。

斯巴達人樸素的技巧，僅僅是密碼學漫長歷史的開端 。如今，依靠微觀物質一些奇異特性的量子密碼學，已經公開宣稱自己無解。它是一種利用量子糾纏效應、基于單光子偏振態的全新信息傳輸方式。其安全之處在于，每當有人闖入傳輸網絡，光子束就會出現紊亂，每個結點的探測器就會指出錯誤等級的增加，從而發出受襲警報;發送與接收雙方也會隨機選取鍵值的子集進行比較，全部匹配才認為沒有人竊聽。換句話說，黑客無法闖入一個量子系統同時不留下干擾痕跡，因為僅僅嘗試解碼這一舉動，就會導致量子密碼系統改變自己的狀態。相應的，即便有黑客成功攔截獲得了一組密碼信息的解碼鑰匙，那他在完成這一舉動的同一時刻，也導致了密鑰的變化。因而當合法的信息接收者檢查鑰匙時，就會輕易發現端倪，進而更換新的密鑰。

量子密碼的出現一直被視為“絕對安全”的回歸，不過，天下沒有不透風的墻。擁有1000多年前那部維京時代海盜史的挪威人，已經打破了量子密碼無解的神話。借助誤導讀取密碼信息的設備，他們在不嘗試解碼的條件下，就獲得了信息。但他們承認，這只是利用了現存技術上的一個漏洞，在量子密碼術完善后即可趨避。

隨機數發生器：上帝的“量子骰子”

所謂的隨機數發生器，并不是老派肥皂劇中那些奇幻神秘的玩意。它們借助量子力學，能夠召喚出真正的隨機數。不過，科學家們為什么要不辭勞苦地深入量子世界來尋找隨機數，而不是簡單輕松地拋下硬幣、擲個骰子? 答案在于：真正的隨機性只存在于量子層級。實際上只要科學家們收集到關于擲骰子的足夠信息，那么他們便能夠提前對結果做出預測。這對于輪盤賭博、彩票甚至計算機得出的開獎結果等等，統統有效。

然而， 在量子世界，所有的一切都是絕對無法預測的。馬克斯·普朗克大學光學物理研究所的研究人員正是借助這一不可預知性，制作出了“量子骰子”。他們先是通過在真空中制造波動來產生出量子噪聲，然后測量噪聲所產生的隨機層級，借此獲得可以用于信息加密、天氣預演等工作的真正隨機數字。值得一提的是，這種骰子被安裝在固態芯片上，能夠勝任多種不同的使用需求。

我們險些與激光失之交臂

與量子力學的經歷相似，激光在早期曾經也被認為是“理論上的巨人，實際應用上的侏儒”。但今天，無論是家用CD播放器，還是“導彈防御系統”，激光已經在當代人類的社會生活中，占據了核心地位。不過，如果不是量子力學，我們與激光的故事，很可能是以“擦身而過”而收場。

激光器的原理，是先沖擊圍繞原子旋轉的電子，令其在重回低能量級別時迸發出光子。這些光子隨后又會引發周圍的原子發生同樣的變化，即發射出光子。最終，在激光器的引導下，這些光子形成穩定的集中束流，即我們所看到的激光。當然，人們能夠知曉這些，離不開理論物理學家馬克斯·普朗克及其發現的量子力學原理。普朗克指出，原子的能量級別不是連續的，而是分散、不連貫的。當原子發射出能量時，是以在離散值上被稱作量子的最小基本單位進行的。激光器工作的原理，實際上就是激發一個特定量子散發能量。

專門挑戰極端的超精密溫度計

如果用普通的醫用溫度計，去測量比絕對零度低百分之一的溫度，這支溫度計的下場可想而知。那么如何去對付這樣的極端溫度呢?耶魯大學的研究人員發明了一支可以對付這些情況的神奇溫度計。它不僅能在極端環境中保持堅挺，更能夠提供無比精確的數值。

為制作這種溫度計，研究團隊必須重新梳理溫度計的設計思路。比如獲得精確數值的方式。幸運的是，在追尋精確的過程中，科學家們借助量子隧道得到了自己想要的答案。就像鉆入山體內部而不是在其表面爬上爬下，粒子在穿越勢壘的過程中，產生出了量子噪聲。使用研究團隊的量子溫度計去測量這些噪聲，便能夠精確地得出實驗物體的溫度。

雖然這種溫度計對于普通人的日常生活并沒有太大的意義，但是在科學實驗室，尤其是那些需要極低溫度環境的材料實驗室它就可以大展身手了。現在，研究者們還在努力通過各種手段提高該溫度計的精確性，并期望隨著它應用范圍的拓展，更極端的科研環境都可以從中受益。

量子能量轉能加載駐波技術

量子能量轉能加載駐波技術。主要的原理是依托高科技量子能量艙。產品在進入艙體后經過“聲、光、電、磁”等物理介入方式，進行能量植入。

根據產品屬性的不同，經過精密的測算，對艙體進行頻率和能量級別的調試，然后經過48小時的量子能量轉載加載駐波植入，這一切的過程所涉及的范圍均在10的負8次方以下的微粒子領域。

并且，在物質的分子層面進行駐波植入，也不會改變物質原有的分子結構和屬性。量子植入后的產品在理論上無半衰期，目前實驗室中現有的量子產品已經過了17年，依然保持著飽和的量子能量。

人人都愛的量子計算機

在1965年發表的一篇論文中，英特爾公司的聯合創始人戈登·摩爾對計算機技術的未來發展，做了一些粗陋但卻意義深遠的預測。其中最重要的一條便是日后著名的摩爾定律：每平方英尺集成電路上晶體管的數量，每18個月便會翻兩倍。這一定律對計算機技術的發展產生了深遠影響，但是現在，摩爾定律似乎走到了盡頭，因為到2020年，硅芯片將會達到自身的物理極限，而隨著晶體管體積的不斷縮小，它們將開始遵循量子世界的各種規律。

和量子世界的規律“抱有敵意”相比，順應量子時代或許才是人們最好的選擇。今天，那些從事量子計算機研究的科學家做的正是這件事情。相比傳統計算機，量子計算機具有無可比擬的巨大優勢：并行處理。借助并行處理的能力，量子計算機能夠同時處理多重任務，而不是像傳統計算機那樣還要分出輕重緩急。量子計算機的這一特性，注定它在未來將以指數級的速度超越傳統計算機。

不過，在量子計算成為現實之前，科學家們還需要克服一些艱難挑戰。比如，量子計算機使用的是比傳統比特存儲能力高出許多的量子比特，但是不幸的是，量子比特非常難以創造出來，因為這需要多種粒子共同組成網絡。直到現在，科學家只能夠一次性將12種粒子纏連起來。而量子計算機若要實現商業化應用，至少需要將這個數字增加數十倍甚至上百倍。

遠距傳輸從科幻到現實

科幻片，尤其是太空題材的，最愛遠距傳輸：偌大的一個人，在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間出現。

遠距離傳輸就是量子態隱形傳輸，是在無比奇特的量子世界里，量子呈現的“糾纏”運動狀態。該狀態的光子如同有“心電感應”，能使需要傳輸的量子態“超時空穿越”，在一個地方神秘消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方瞬間出現。在“超時空穿越”中它傳輸的不再是經典信息，而是量子態攜帶的量子信息，這些量子信息是未來量子通信網絡的組成要素。

此前，IBM團隊的6名工程師證明，遠距傳輸完全可以實現，至少從理論上來講是這樣。但必須注意的是，“原對象”在此過程中將消失—— 因為遠距傳輸可不是“傳真機”，你原來那份“文件”是會被它銷毀的。其貌似“復制”原物體的過程，實際也是對原物體的一種改變。

2009年，美國馬里蘭州立大學聯合量子研究所的科學家進行的“量子信息處理”的實驗中，成功地實現了從一個原子到1米外的一個容器里的另一個原子的量子隱形傳輸。盡管在實驗中是一個原子轉變成另一個原子，由第二個原子扮演起第一個原子的角色，與“原物傳送”的概念不同，但原子對原子的傳輸，卻對于研制超密超快的量子計算機和量子通信具有重大意義。

沒錯，遠距傳輸并不僅在傳輸物體這一目標上才有價值，在達到這一目的之前，通往“圣域”的各項研究也被證明在其他多重領域大有作為。而所有的量子力學研究，甚至人類所有的科學活動，亦同此理。

什么是真正的瞬時通信?

量子力學在過去的歲月里為人們帶來的成就彌足珍貴，但科學家們有理由相信，其在未來會奉獻的更多。

現在，當你在手機、短信、郵件以及MSN、飛信等等諸如此類的通信工具之間徜徉時，可能以為自己已經被所謂的“瞬時通信”覆蓋。實際上，你發出的聲音、文字、圖像都需要一點時間才能達到目的地，或長或短而已。現在的人們日常所能用到的通信方式，所需時間都極其短，但在很遠的未來，人和人之間的交流不會只限于大洲與大洲之間，而可能需要橫跨星系，這就使通信時間大大的增加——譬如說，在今年8月6日，“好奇”號火星車登陸火星，傳回的信號到達地球就有十幾分鐘的延遲。但這還只是在太陽系中地球和火星的距離，如果將距離延伸的更遠，那么科學家們認為，只有量子力學才有能力真正實現“即時”的通信，無論距離多遠。

使瞬時通信成為現實的關鍵，在于被稱為量子糾纏的量子力學現象——愛因斯坦稱其為“幽靈般的遠距作用”，指處于糾纏態的兩個粒子即使距離遙遠，也保持著特別的關聯性，對一個粒子的操作會影響到另一個粒子。簡單來說就是，當其中一個粒子被測量或者觀測到，另一個粒子也隨之在瞬間發生相應的狀態改變。這種仿佛“心電感應”般的一致行動，已超出了經典物理學規則的解釋范疇，因此才被愛因斯坦視作鬼魅。但利用量子糾纏，我們可以操縱其中一個粒子引起對應粒

審核編輯：黃飛