从爱因斯坦的好奇⼼到量⼦信息⾰命-----潘建伟2020年新年科学演讲全⽂
各位晚上好！⾮常⾼兴有机会能够做2020新年科学演讲。
今天我报告的题⽬是 “从爱因斯坦的好奇⼼到量⼦信息⾰命” ，让我们从爱因斯坦的观点开始讲起。
爱因斯坦相信上帝是不掷骰⼦的，这⾥⾯的基本含义是什么呢？学过⽜顿⼒学的⼈都知道，根据⽜顿⼒学，⼀旦体系的初始条件是确定的，⼒也是确定的话，就意味着，所有粒⼦未来的运动状态都是可以精确预⾔的。继续往前想⼀步的话，好像我们的世界就是决定论的，包括今天的演讲，可能很早之前就已经决定好了。如果真是这样的话，个⼈的努⼒还有意义吗？
⽐如前⼀阵⼦，我跟饶毅和颖⼀商量，决定要在⼀⽉⼏号做⼀个新年演讲。我们以为是⾃⼰做出了决定，但实际上可能并不是这样的。不知道⼤家有没有看过⼀部科幻⽚《西部世界》？我为了能跟年轻学⽣⽐较好的交流，常常会努⼒看⼀些他们推荐给我的⽐较新潮的影视剧。看《西部世界》的时候，前⾯⼀两集没有看懂——有⼀个⼈被打死了，⼀会⼉做梦，⼜活过来了。后来看明⽩了，原来 “西部世界” ⾥⾯⼤多数是机器⼈，少量的⼈到西部世界探险，可以任意决定机器⼈的 “命运”。
在《西部世界》⾥，有⼀位漂亮的⼥⼠，她以为她⾃⼰是有⾃由意志的，但是程序员告诉她，其实你是机器⼈，你讲的每⼀句话，我事先都设计好了，这就是决定论的⼀个困境。
⽜顿⼒学可以精确预测⾏星的轨道：什么时候到哪⼉，都能计算出来；整个世界进程什么样，尽管有些时候计算能⼒有限算不明⽩，但按照⽜顿⼒学的理论，结果总是确定性地往下运⾏。
但是⼤家内⼼深处其实是不太喜欢决定论的。霍⾦曾经讲过，“即使是相信⼀切都是由上天注定的⼈，在过马路的时候，也会左右看⼀看，以免被车撞到。” 所以，我们内⼼深处并不相信⽜顿⼒学导致的决定论是世界运动的最终本质。
波函数：量⼦⼒学的解释
能不能通过物理学来研究⼀下这个问题呢？让我们从量⼦⼒学开始讲起。
让我们先从⼀个⾮常简单的单缝实验开始：有⼀条缝，光源照过去，有强度分布，中间最亮，两边慢慢变暗。这个实验很简单，我们每天都可以重复做，拿⼿电筒⼀照就可以了。但是有些科学家说，如果把光的强度进⼀步减弱，会有什么样的结果呢？
12306登陆我们再来重复做这个实验，把光源不停地减弱，结果在屏幕上发现，在每个确定的时刻，看到⼀个点、⼀个点出现。实验重复了很多次之后，分布跟左边图的分布是完全⼀样的。但是单次实验当中出现的是⼀个点，这就引出了所谓的单光⼦概念。后来的科学告诉我们，其实光是由很多⼩颗粒组成的；这些⼩颗粒就是光能量的最⼩单元，叫做光量⼦。
量⼦的概念最早是普朗克提出来的，普朗克从某种意义上来讲，应该算是旧量⼦⼒学的祖⽗，爱因斯坦和玻尔是旧量⼦⼒学之⽗，他们⼜是新量⼦⼒学的祖⽗，海森堡、薛定谔和狄拉克等则建⽴了新量⼦⼒学——真正有⽅程去求解的量⼦⼒学。
所谓量⼦，其实就是能量的最基本携带者，具有不可分割性，在屏幕上每次都是以⼀个⼩点的形式出现；它也是构成物质的最基本单元，所以，原⼦、分⼦等也都是量⼦的基本范畴。
我们继续来做实验。这次做双缝实验，第⼀次我只开左缝，会看到左边的很多⼩点，最后的分布就是这样的⾼斯分布；我再打开右缝，⼜看到很多⼩点，也是⾼斯分布。有这样的结果出来之后，我们可以问⼀个问题：如果两条缝同时都打开的话，应该看到什么现象呢？
我想，在座各位很容易得到逻辑分析的结论。⾸先，单光⼦是不可分割的，单次的过程当中，应当从某⼀条缝过去。左缝过去的光⼦应该不受右缝的影响，两条缝都打开的时候，应该是⼀种简单的概率叠加，最后变成同时开双缝的时候，应该这也是⾼斯分布。
下⾯来做⼀下这个实验，到底跟逻辑分析的结论是不是⼀致的呢？⼤家可以看到，如果两条缝都打开的时候，屏幕上光⼦数⽬越来越多的时候，就出现了⼲涉条纹。我们做实验的⼈马上就会想到，这不是波的现象吗？因为经典的电磁波、⽔波、声波⾥⾯都有⾮常明显的⼲涉现象——波峰+波峰就是⼲涉增强，波峰+波⾕就是⼲涉相消。如果按照经典物理学，光是电磁波的话，那么有⼲涉现象是⾮常正常的。
但现在的问题是，为什么不可分割的粒⼦表现也像波⼀样呢？按照道理是强度叠加，怎么变成了这么⼀种⼲涉的叠加了呢？
在量⼦⼒学⾥⾯，按照玻尔和海森堡的观点，⾸先光⼦确实是⼀个粒⼦，但是它在⾃由飞⾏的时候，光⼦状态是由波函数来描述的。在探测到光⼦之前，光⼦没有⼀个确定的位置。波函数告诉我们的信息只是在某⼀个点上探测到光⼦的概率是波函数的模平⽅；通过双缝之后，波函数的⼲涉就会影响光⼦出现的概率分布，就类似于经典波⼲涉⼀样。他们认为在⾃由飞⾏的时候，波函数本⾝代表⼀个光⼦，光⼦在各个地⽅都同时存在。
按照他们的观点，最后在屏幕上探测到光⼦的时候，光⼦就会坍缩成⼀个点，随机地出现在某个地⽅。我们重复实验很多次，最后的结果告诉我们，单光⼦像波⼀样，是同时通过两条缝，但是光⼦的位置是完全不确定的，屏幕上是随机出现在某⼀点，出现在某个点的概率，是由两个波函数相⼲叠加决定的。
这样重复很多次实验，我们就能够看到⼲涉条纹，但是单次的过程当中，它都是⼀个光⼦，并且可以出现在很多地⽅。因为看到了⼲涉，量⼦⼒学就⽤波函数的形式来解释这个现象。
但是对于这种理论，爱因斯坦并不满意。他说是的，如果你看到了⼲涉条纹，我们只能认为光⼦同时通过两条缝；但是如果我⼀定要坚持，⼀个光⼦是⼀个颗粒，只能通过某⼀条缝，那么我是不是应该做实验看⼀下，光⼦到底从哪边过去的？
这样我们接着做⼀个实验：在每条缝后⾯放⼀个原⼦，光如果从左边过去，跟原⼦轻轻碰撞⼀下，通过测量原⼦反冲的动量，我们会知道光⼦是左边过去的；如果右边的原⼦被撞了⼀下，我们就知道光
⼦是从右边过去的。如果去看光⼦的路径，在每次实验当中，我们只看到⼀边的原⼦会反冲⼀下。这个实验证明，光⼦确实是通过某⼀条缝过去的。
造价工程师报考条件但现在我们就遇到⿇烦了，当我们知道光⼦从哪⼀条缝过去的时候，⼲涉就消失了，⼜变成了概率的叠加。最后总的结果是这样的，如果知道光⼦路径的话，就没有⼲涉条纹；如果出现了⼲涉条纹，那么我们的实验是没有办法来判断光⼦路径的，这就是我们遇到的这么⼀种困境。
上帝掷骰⼦吗？
遇到这种困境之后，两种观点就开始争论了。
爱因斯坦相信上帝不掷骰⼦，他觉得我们应该有⼀个确定规律可以算出来。玻尔则说，你不要告诉上帝祂能够做什么，上帝⾃⼰来决定祂能够做什么。
玻尔的观点是，光⼦的路径在没有测量之前是不确定的。它的路径到底怎么样，取决于你有没有去看它。你去看的话，它在某⼀条路径上；你没有看，就是在两条路径上，处于通过左缝和通过右缝的相⼲叠加。
但爱因斯坦认为，光⼦的路径是可以预先确定的，只不过量⼦⼒学⽬前能⼒太差，没有掌握真正的⾃然界的规律。其实可以设计⼀个隐变量，让光⼦变得聪明⼀些，也可以同时来解释两类现象。
爱因斯坦的隐变量理论是这样的，⾸先⽆论如何，我相信光⼦是确实从某⼀条缝过去的，不管有没有在看。但他同时认为光⼦是⽐较聪明的，具有⾃然规律所允许的所有能⼒，它可以预先决定不同的概率分布。
什么意思呢？所谓的隐变量，它可以决定实验最后的结果。在⼀次做实验当中，如果两条缝都开着，⼀个光⼦飞过来的时候，隐变量就故意 “命令” 光⼦跑出这种⼲涉的分布，尽管光⼦是从某⼀条缝钻过去的；如果只有⼀条缝的时候，隐变量就 “命令” 光⼦跑出这样的⾼斯分布，以⾄于最后是概率叠加。对于这样的观点，没有办法反驳，因为原理上确实可以这样，但⼈们⼜并不知道所谓隐变量到底是什么机制，在实验上没有办法证实。
所有的单粒⼦实验当中，隐变量的理论和量⼦⼒学理论，最后都可以来⾃洽地解释双缝⼲涉的实验结果。
⼤家很烦恼，上帝到底掷不掷骰⼦？如果掷骰⼦，⼈可能还有⼀点⾃由意志；如果上帝不掷骰⼦，我的命运和做什么事情，都是⽅程决定的。这个问题很重要，上帝到底掷不掷骰⼦，跟⼈到底有没有⾃由意志，某种意义上是联系在⼀起的。
第⼀次量⼦⾰命
当时⼤家觉得爱因斯坦和玻尔是闲着没事⼲，反正薛定谔⽅程可以把氢原⼦能谱等等算得⾮常精确，⽤就⾏了。在应⽤量⼦⼒学规律的过程中，产⽣了很多的技术⾰新：核能、晶体管的发现、激光的发明、核磁共振、⾼温超导材料、巨磁阻效应的发现等。通过量⼦规律的被动观测，即使在宏观世界的体现应⽤，也已经很⼤程度上改变了我们的⽣活。某种意义上来讲，量⼦⼒学是现代信息技术的硬件基础，数学是软件基础，数学和物理结合在⼀起，奠定了整个现代信息技术的基础。
正是有了半导体，才有现代意义上的通⽤计算机；然后在加速器的数据往全世界传递的过程中，催⽣了万维⽹；为了检验相对论，利⽤量⼦⼒学构建⾮常精确的原⼦钟，在原⼦钟的帮助之下，可以进⾏GPS卫星全球定位、导航等等，第⼀次量⼦⾰命直接催⽣了现代信息技术。
⼤家经常讲，我们现在为什么有卡脖⼦的问题，其实可以看到，⼀部⼿机⾥⾯凝聚了很多跟量⼦⼒学相关的基础物理、基础化学成果：半导体器件是2009年诺贝尔物理学奖、集成电路是2000年诺贝尔物理学奖等等，⼀部⼿机当中，有⼋项诺贝尔奖成果在⾥⾯。如果基础研究不⾏的话，我们被卡脖⼦是⼀个难以避免的结果。
现代信息技术遭遇的两⼤挑战
随着信息技术进⼀步发展，逐渐地遇到⼀些了问题。⼀个问题就是信息安全瓶颈。实现信息的安全传送，⾃古以来就是⼈类的梦想。
在公元前7世纪，古希腊斯巴达⼈⽤加密棒，把⼀个布带缠到加密棒上，写上 “明天发动攻击”（attack tomorrow），命令发布完之后，如果别⼈没有同样半径的加密棒的话，信息是读不出来的，这是最原始的加密⽅法。
后来到了公元前1世纪左右，凯撒⼤帝发明了更好⽤的办法——把26个字符移动⼀下，这样移动完之
后，“明天发动攻击” 就变成DWWD等等，只有预先约定的⼈知道这个命令究竟是什么。
这样⼀些⾮常聪明但很古⽼的加密算法，其实可以⽤字符出现频率的⽅法加以破解。英语中A出现的概率是8%，B出现的概率是1.8%，等等。不管字符怎么变化，只要⽂字是固定的，我们拿出来算算字符频率，出现8%就是A，出现1.8%就是B。⼀封信如果有⼏千个字符，很⼤概率可以被破解。
⼆战期间，⼈们⼜设计了更加复杂的密码，到后来还有RSA公钥加密算法，但是随着计算能⼒的提⾼，这些都被破解了。2017年，利⽤在座的王⼩云教授发明的⼀种⽅法，把SHA-1算法破解了。
前⾯的历史告诉我们，有⽭必有盾，基于计算复杂度的经典密码，总有⽅法可以破解掉。⼤概在⼀百多年之前，有⼀位作家写了⼀句话：“⼈可能不够聪明，以⾄于没有办法构建⼀种我们⾃⼰破解不了的密码。”
小学三年级语文教学总结我们遇到的另⼀个问题是难以满⾜⼈类对计算能⼒的巨⼤需求。最早的时候，1940年代的 Colossus 计算机，重量1吨，功率8.5千⽡，每秒运算速率五千次，当时⼈们觉得这已经很快了，按照IBM的前总裁 Thomas Watson 的说法，全世界⼤概只需要五台这样的计算机就够了。
但是到了2010年的时候，是⼀个什么样的状态呢？其实每个⼈拥有的智能⼿机已经可以每秒钟运算5万亿次，功耗不超过5⽡，计算能⼒是当年美国登⽉计划计算能⼒的总和。
填报志愿流程
随着⼤数据时代的到来，全球数据量以指数的增长，每两年翻⼀番，对计算能⼒的需求⾮常巨⼤。
⼀般来说，我们通过加强芯⽚的集成度来提升计算能⼒。但是⽬前，摩尔定律马上就要逼近极限了，估计再过⼗年，就会达到亚纳⽶尺⼨。这样的话，前⾯讲到的⼲涉效应就会出现，0不⼀定是0，1不⼀定是1，晶体管的电路原理将不再适⽤。
怎么解决信息科技⾯临的这些问题？在研究爱因斯坦百年之问的过程当中，⽬前的量⼦⼒学已经初步地为突破信息安全和计算能⼒的瓶颈做好了准备，⽽且也为回答上帝到底是否掷骰⼦提供了可能的答案，因为这是跟⾃主意识、⾃由意志紧密相关的。
量⼦叠加、量⼦纠缠与量⼦⾮定域性
5月7日上班吗到底是怎么联系在⼀起的呢？让我们先来考虑⼀个最简单的量⼦系统。
在⽇常⽣活当中，⼀只猫，要么是活的，要么是死的，这两种状态就可以代表⼀个⽐特的信息。
根据量⼦⼒学，量⼦世界中的⼀只猫，当我们没有去看这只猫时，猫可以处于死和活状态的相⼲叠加。但是对于这两种观点，爱因斯坦说，我可以⽤隐变量来构建，反正你也不能说服我，它还是可以确定地处于死和活某种状态，不是处于相⼲叠加。
他为了反驳量⼦⼒学，进⼀步考虑了多粒⼦体系。在讲多粒⼦体系之前，先讲⼀下量⼦⽐特到底是什么东西？
其实任何两能级的系统都可以实现⼀个量⼦⽐特，例如可以⽤光⼦的两个极化状态，来代表0或者1。左上⽅光⼦沿着垂直⽅振动叫做1，沿着⽔平⽅振动叫做0，可以代表两个状态，如果让它偏转⼀下，朝着45度振动，其实就是属于0+1状态相⼲叠加了，沿着135度振动其实就是0-1的相⼲叠加。光⼦的极化其实可以沿任意⽅向振动。爱奇艺自动续费怎么取消
我们怎么测量光⼦的极化状态呢？如果有⼀个光⼦是0+1的状态，但是我们并不知道它是什么状态。我来测量它，可以⽤⼀个⼩晶体，叫做极化分束器，对那些⽔平极化的光⼦全部穿透；对于竖直极化
的光⼦则全部反射。如果在后⾯再各放⼀个单光⼦探测器，它每次实验当中，要么就左边有响应，要么就右边有响应，可以证明每次发射进来的是⼀个单光⼦。
版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。
发表评论