中秋赏月,总不免听到:但愿人长久,千里共婵娟。 那是北宋苏轼,通过月亮意象寄托与分离了七年的苏辙共赏明月之愿。能与相隔千里之外的弟弟心灵相通共赏月,不正是量子纠缠?难道苏学士早已洞悉量子玄机不成?

我们一般从原子认识微观世界,随着科技的进步,科学家们从实验和观察发现原子内另有乾坤。目前理论的标准模型里共有16种基本粒子,以及在2012年发现的,昵称上帝粒子的希格斯玻色子(Higgs boson)。研究这些粒子如何相互作用以及构建了这个世界,就是量子力学的范畴。量子力学与我们熟悉的经典物理学的基本观念的不同,在于量子的一切行为是不确定和随机性的,所以微观世界是不确定的。

量子的随机性已产生了不少悖论。比如说量子有“叠加态”(quantum superposition),在未被测量前,它是多种状态中的任何一种,一旦被测量,就(坍塌)呈现其中一种确定态。能从不确定的微观世界产生确定的宏观结果,这就让人迷惑了。经典的“薛定谔的猫”同时是死的又是活的,就描述了这悖论。说到“量子纠缠”(quantum entanglement),两个经过耦合的量子,就算被隔离了很远,当其中一个受到干扰改变了状态,另一个也会跟着改变。难道这就是量子间的心灵感应?还有刚获得诺贝尔物理奖的“量子隧穿”现象,就像是“穿墙术”。这等等都是微观世界里难被解释的现象。

虽然看起来有点儿知其然,不知其所以然,但聪明的科学家已经开始应用量子的这些特性。从叠加态已研发出超快的量子电脑,谷歌声称它的量子晶片在5分钟里可以完成目前电脑需要1千万年的运算。利用量子纠缠则可发展出超强的保密防窃听的通讯系统,中国在2016年已成功从人造卫星利用这科技与地面联系了。

我国今年也推出“全国量子战略”,整合资源,推动聚焦量子通信、计算和传感等领域的研究。要搞懂这些新概念,或许可以从游戏开始。最近在艺术科学博物馆就玩了几盘免费有趣的量子井字棋(tic-tat-toe)和量子骰子。游戏规则简单,玩后对什么叠加态和纠缠都有个概念了,大家不妨也去玩玩。

“薛定谔的猫”这悖论毕竟较难理解。假设你在中秋节送岳母娘一盒月饼,月饼可能,或不能又或某程度上合她口味 (叠加态),等到她打开盒子,那么结果就确定了。中秋过节,也是量子理论的好入门!

今年是“国际量子科学技术年”,纪念量子力学发展100年。