量子：微观世界的神秘力量

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量子：微观世界的神秘力量

在安徽省科技馆三楼，一条神秘的“隧道”直通“量子探微”展厅。在这条隧道中，无数细小的粒子在巨大的屏幕上闪烁，仿佛浩瀚的星空。穿过隧道，是一片全新的世界。在这里，薛定谔的猫、量子计算机、量子材料等普通人看来遥不可及的量子科技，不再是高高在上的科学概念，而是近在咫尺，触手可及的展品。

提起量子，普通人觉得神秘而又陌生。量子到底是什么？《庄子·天下》里有一句名言：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”意思是说，一尺长的木棍，每天截取它的一半，永远也截不完。真的是“万世不竭”吗？从数学的角度来说，一根木棍，可以按照二分之一、四分之一、八分之一的长度无限分割。但是从物理学的角度来说，物质并不是无限可分的。夸克是目前人类已知的最小粒子，不能再分了。我们生活中常见的光，是由大量的光子构成，光子也不能再分。

在微观世界里，如果一个物理量存在最小的不可分割的基本单位，这个物理量就是量子化的，并把最小单位称为量子。所以，量子并不是一个粒子，而是一个物理学概念。我们可以用宏观世界的例子来解释量子。比如，在统计人口数量时，每个人就是不可分割的最小单位，一个人就是一个“量子”，因为不存在半个人、三分之一个人。

量子叠加与量子纠缠

量子力学中有两个重要的概念：量子叠加和量子纠缠。

在日常生活中，事物通常只有两种状态：是或不是，开或关等等。但在微观世界里，事情却并非如此。那里存在着一种名为“量子叠加”的神秘现象。

想象一下，你手里有一个骰子，这个骰子每一面都有可能朝上，当你抛出它时，你无法确定它会停在哪个点数，只有当骰子静止后，它才会出现一个固定的点数，这就是量子叠加的一个简单比喻。在量子力学中，一个粒子可以同时处在多个状态，直到它被观察到。这意味着，当你测量一个粒子时，你只能确定它处在某一个状态，但在测量之前，它其实同时处在所有可能的状态。

爱因斯坦用“上帝不掷骰子”来质疑量子力学中的随机性。他认为，那些看起来无法解释的随机现象，是因为有尚未发现的“隐变量”，一旦我们找出了这些隐藏着的变量，随机性就不复存在了。以玻尔等人为主的哥本哈根学派认为，随机性是微观粒子的固有属性，并不存在“隐变量”。这一观点与爱因斯坦的观点不同，因此他们之间存在激烈的争论。

量子叠加已经很奇妙，但当两个量子“纠缠”在一起，就更加匪夷所思。我们在影视剧中经常能看到这样的画面：一对恋人相隔很远，当一方有难，另一方立刻能够感应到，这就是“心灵感应”。在量子世界，当有着共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们被分开多远，只要一个粒子发生变化，就能立即影响到另外一个粒子。

量子通信：无法窃听的信息传输

量子通信正是利用量子叠加态和纠缠效应进行信息传递的新型通信方式。假如有一对相互纠缠的粒子A和B，A粒子在信息发送者手中，B粒子在信息接收者手中，无论双方相距多远，只要发送方对A粒子进行测量并得到一个确定的结果，接收方对B粒子的测量也会得到一个与之对应的结果。这样，发送方就可以将信息安全地传递给接收方。同时，由于量子的叠加态特性，任何对量子的测量或干扰都会立即改变其状态，从而被发送者和接收者所察觉。这意味着，如果有任何第三方试图在传输过程中窃听或干扰这个量子，发送者和接收者会立即知道，因为窃听会导致量子的状态发生改变。这样，发送者和接收者就可以确保信息的安全传输，不被他人窃取或篡改。

然而，量子通信也面临一个难题，一旦传输距离较远，损耗问题就会变得极其严重。科学家研究发现，利用外太空几乎真空、光信号损耗非常小的特点，通过卫星的辅助可以大大扩展量子通信的距离。2016年8月16日，世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”顺利升空，使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，从而可以构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

在安徽省科技馆“量子探微”展厅内，通过模型、多媒体、机电互动等方式，可以让参观者深入了解“墨子号”工作原理，同时能与科技馆楼顶真实的地面站互动，播放该地面站与墨子号真实对接的过程。对接时，观众可看到红色激光在地面站上发出，绿色激光从墨子号上发出。

在世界范围内，量子科技已成为全球主要发达国家争夺的科技制高点。目前我国量子技术总体跻身世界第一方阵，已上升为国家战略。安徽正围绕量子通信、量子计算、量子精密测量三大领域，积极打造量子创新技术策源地。

主办单位 | 安徽省科学技术馆

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主        播| 伊凡