“墨子号”量子卫星发射成功后，中国卷起了一股量子风。
量子是啥？有什么神奇之处？
其实大多数人并未完全了解。
现在，请跟随小编的步伐去认识神奇的量子。
首先要从我们熟知的著名的光的双缝干涉实验开始，这个实验也被写在我们的中学物理教科书中。
来看一张简单的光的干涉现象的图：
图A
一个蜡烛发出光经过一个不透明的挡板A，挡板A中间有一个小孔，在挡板A后面有一个不透明挡板B，挡板B上有两条平行的缝隙，然后我们可以在挡板C上得到一些明暗相间的条纹。如果B上只有一个缝隙，那我们在C上只会得到一个条纹。
PS：图中的蜡烛+挡板A 可以换成 激光 替代（蜡烛加挡板的作用就是把蜡烛发出的光做成一个点光源，点光源发出的光我们可以认为频率和方向一致，是相干光）
下面我们来解释一下，为什么会发生干涉，我们知道波都有波长、波峰、波谷，可以想象一下水波，在池塘里面扔一块石头，类似下图这样：
图B
看到上面的水波，我们对什么是波有了一个初步的概念，那干涉又是怎么产生的呢？
我们把图A中的光，想象成水，则会有下面的图C的现象：我们可以看到水波经过双缝之后，产生了两个水波，分别从双缝发出，发生衍射，我们可以看到他们的波有相交的地方，波峰相交，会相互加强，波谷和波峰相交会相互抵消。图中波纹线的交叉点都是波峰相交，这样的相交，就发生了干涉。
图C
下面的图D，详细的解释了光是怎么发生干涉的：
首先光通过小孔，形成了一个点光源，点光源发出的光，通过双缝，产生两束光，他们的波峰和波谷相交，形成干涉，可以看到图中绿色的线的部分是波峰相交的地方，橙色的线是波峰和波谷的相交，最终在屏幕上，绿色线到达的点是亮纹，橙色线到达的部分是暗纹。然后我们就得到了明暗相接的图案。
这就是光的双缝干涉，这个实验证明了光具有波的特性。
图D
用小球代替光：
下面我们再来做另外一个实验：我们把光束换成小球（你可以理解为乒乓球）。
先用一个只有一个缝隙的挡板，我们找一个小球发射机，对着挡板发射，这样发出的小球要么被挡板挡住了，要么通过缝隙打到后面的墙上，事先我们在墙上涂好胶水，按常识，我们会在墙上得到一个一条粘在墙上的一堆小球的图案，事实上也是如此。
图E
下面我们把挡板换成有两条缝隙的挡板，像图F所示：小球经过挡板后，我们得到了两条图案，按常理也应如此。请继续往下看下一个实验。
图F
我们把光子或者电子像小球一样一个个发出去：
现在的技术已经可以实现将光子或者电子单独一个一个发出去。
像刚才一样，我们先用一个缝隙的挡板，然后用电子枪一个个向挡板发射电子，我们看到，在墙上可以看到像小球一样的图案，电子通过缝隙到达了感应器（图片只是为了好理解，现实实验中实际是感应屏，不是墙）。
得到这个图案，都在我们的意料之中。这样看，光有粒子的属性，是一个个的粒子，这说明光或者电子也具有粒子的特性，我们继续下一个实验。
图G
我们把挡板换成有双缝的挡板，然后把电子一个一个发射过去，我们会得到什么图案呢？
按照常识，我们会得到像图F中的小球一样的图案，会得到两条条纹，然而，实际上并不是。请看下图：
图H，把电子一个个发射出去，让其穿越挡板
图I，电子穿过挡板，在感应屏形成了看似错落随机的落点
图J
正如图J所示，刚开始我们得到的看上去貌似错落随机的落点，但是当电子多了之后，我们得到了明暗相间的条纹，由电子感应后形成的条纹。
所以，发生了什么？
发生了干涉，然而我们是把电子像小球一样一个一个发射过去的，它和谁干涉呢？这就是问题所在。
所以下面，我们进行另外一个实验，我们设置一个高速摄像机，来观察一下，电子到底是通过哪个缝隙穿过的挡板，它是怎么穿越的挡板。
我们设置一个高速摄像机来观察电子的路径：
类似图K这样，我们设置一个高速摄像机（也可以是其他可以判断电子走向的东西），在挡板前面，看看电子到底是怎么穿越双缝的。
我们架设好后，继续一个一个的发射电子，然而，我们得到了下面“图L”中的图案，干涉并没有发生，我们得到了类似小球穿过两个缝隙一样的图案。干涉消失了，我们得到了两条纹。
实际上，把高速摄像机架设到双缝挡板后面，我们依然得不到干涉条纹，似乎电子在穿越之前就知道有人或者物在挡板后面要观察它。
图K，电子枪和高速摄像机
图L，没有发生干涉的两条纹
当我们把高速摄像机移除，我们又得到了明暗相间的图案，干涉又发生了。仅仅是观察行为，就让电子或者光子表现出不一样的行为：
你不观察它的时候，它表现的像波，一旦观察它，它则表现的像一个粒子。这就是光或者电子所表现出的波粒二象性。
对于波粒二象性，目前有两种说法：
说法1：世界上所有物质都表现出要么是波，要么是粒子，而光子或者电子却表现的既是波，也是粒子，所以很不可思议。比如想象一个足球他有固定的位置，就是粒子，大喇叭发出的声音可以四处扩散就是波，任何事物都要么表现的是波，要么表现的是粒子。
说法2：世界上所有物质其实都同时表现出波和粒子的属性，只是由于波长不一样，所以我们感知不到，或者说无法观察。
对于宏观世界的物质或者说物品（比如足球，比如汽车），因为他们质量大（相对微观世界），由于波长和动量相关，动量越大（动量=质量*速度），波长越短，所以它们的波长很短，可能是万亿万亿万亿万亿分之一米，几乎为0，我们无法检测到，所以感知不到；
而微观世界的电子，它的波长足够大以至于我们可以测量到，我们知道它的波长，但是我们不知道它的位置，而一个有固定位置的电子又不会产生波所以表现的像粒子，这也就是不确定原理。
在量子物理中，怎么简单的来理解什么是波，什么是粒子？
粒子可以认为有确定的位置和速度，一个粒子A要么在点B，要么不在，如果它在点B，那么它一定不在其他任何地方。而波，我们没有办法确定它确切的位置。
了解了波和粒子的概念，回到刚才的实验结果，那么，到底是什么影响了电子的行为？
有一种解释是说，电子本来是波，然后一旦发生观察行为，则波函数坍缩成粒子，但是电子怎么知道有人（或者物）在观察呢，波函数又是怎么坍缩的呢？
对于这个问题，目前有很多种解释，我们来看几个。
说法1：意识参与的结果
在微观量子世界，只有你看到之后，只有人的意识参与之后，才是确定的，看到之前都是不确定的，意识的参与造成了波函数的坍缩，呈现为粒子状态。
说法2：观察者效应
就是当你观察一个东西的时候必然对它产生了影响。
比如你要观察一个物品，比如看远处的山或者做B超，肯定有光或者电波射到被观察的物体之后反射回来被我们接收到，我们才能看到，那么这些射到被观察体上的光或者电波影响到了被观察体，所以被观察体表现出不一样的性质来。
宏观世界我们可能感知不到，比如我们看远处的山，肯定是阳光照在山上，然后再反射到我们的眼中，宏观世界中阳光对山的影响可以忽略不计。
但是微观世界，光或者电波对单个光子或者电子的影响不能忽略不计，所以造成了被观察者行为的改变，即观察粒子不可避免地干扰它们足以破坏干涉图案。
说法3：不确定原理（测不准原理）
是由海森堡于1927年提出，你可以简单的理解为在微观世界，我们不可能同时知道一个粒子的速度和位置，一个粒子没有确切的位置，而是以概率云的方式弥漫在空间中，它有可能在这，也有可能在那。
说法4：当没有观察的时候，电子自己和自己干涉
电子既可以在A点，也可以在B点；这个不能用我们宏观世界来理解，这也正是量子世界的神奇之处，已经超出了人类的理解范围，就好比你跟一只小猫来讲化学反应一样，它肯定理解不了。
说法5：模拟世界
我们所在的世界是类似超级计算机的东西模拟出来的，在不观察光子或者电子的时候，它是波的形式，或许是因为波消耗的计算资源少，观察的时候就精确计算表现成为粒子。
就好比我们玩一些游戏打怪一样，只有你到了一个游戏中的地方，电脑才会渲染那个地方的界面，比如你在游戏中的海边打怪的时候，电脑只会渲染海边的地图和怪物，然后地图切换，你又来到大山中，电脑才会渲染山中的界面和怪物，而你在山中的时候，海边的怪物还在吗，为了节省资源，电脑其实是没有渲染的，当你又回到海边，电脑直接再把海边的渲染出来呈现给你，它省略了过程，只给你结果。就是说当你看它的时候，它才会在。
说法6：平行宇宙
是说世界上可能有无数个宇宙，我们只能存在和感知到其中一个。
每个宇宙中的自然规律也各不相同，当粒子穿越双缝的时候，实际上被分裂成两个宇宙中，每个宇宙中任何选择的时候都会被分裂两个宇宙，一个选A，一个选B，这样就会衍生出无数宇宙。
比如这个宇宙的电子选择了走A缝，另外的宇宙选择了走B缝，我们只能感知到其中一个，比如你看到了电子穿越了A缝隙，另外一个宇宙中的你，可能就看到电子穿越了B缝隙。
说法7：隐变量理论
主要是以爱因斯坦等人提出，认为现在的量子力学理论目前是不完备的，肯定还有未被发现的理论，所以造成了我们理解不了并且无法用宏观物理来解释量子世界，这也是EPR佯谬或者称为EPR悖论，是1935年，由爱因斯坦（Einstein）、波多尔斯基（Poldosky）、罗森（Rosen）共同提出的，EPR是以姓氏字首缩写命名，试图对哥本哈根诠释做出挑战。
哥本哈根诠释可以简单的理解为，目前我们都是用宏观物理来解释和理解量子现象，是解释不了的。而爱因斯坦认为，是可以解释的，只是我们没有发现量子世界中另外的理论，目前量子物理的理论不完备，所以解释不了。
还有其他各种说法，1000个人可能有1000个解释或者猜想，目前还没有确切的答案。
通过前面一系列的实验，相信大家对量子物理里边只讲求概率，不讲求规律的理论已经有所体会。
所谓量子，是构成物质的最基本单元，是能量，动量等物理量最小单位，不可分割。像电子、光子等构成物质的基本粒子，统称为量子。
除了不可分割性，量子还具有不可克隆（复制）性。因为克隆一个东西首先要测量这个东西的状态，但是量子通常处于极其脆弱的“叠加态”，一旦被测量就会马上改变状态，不再是原来那个量子了。
科学家们利用量子叠加开发出了大型量子计算机，实现并行计算。
量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算，也是量子计算机最重要的优越性。
这能力有多强？举个例子，如果我们分解一个300位的大数，用现在的计算机，需要15万年，用量子叠加帮我们并行运算，只要一秒钟就可以算出来。
当两个量子形成叠加态，就是著名的“量子纠缠”现象了。
一对具有量子纠缠态的粒子，即使相隔极远，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变。
量子纠缠被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距相互作用”。
什么叫做“量子通信”？
量子通信主要有两种方式：
一种是利用量子的不可克隆性质生成量子密码，他是二进制形式的，可以给经典的二进制信息加密，这种通信方式称为“量子密钥分发”。
量子密钥分发以一个个单独的光子作为载体，通过收发双方通过随机测量这些光子，选取共同测量方式的那些测量结果，就会形成一组量子密钥。
如果中间有人窃听，收发双方的测量错误会瞬间上升，马上就会察觉有窃听的存在。所以一组成功生成的量子密钥一定是排除了一切窃听的绝对安全的密钥，用它加密的信息也是不可破译的。
第二种是利用量子纠缠用来传输量子信息的最基本单位——量子比特。
两个处于纠缠态的粒子A和B，不论它们分开多远，我们把其中一个粒子（A）和携带想要传输的量子比特的粒子（C）一起测量一下，C的量子比特马上消失，但是B就马上携带上了C之前携带的量子比特，我们把这个过程叫做“量子隐形传态”。
根据量子力学“不确定性原理”，处于纠缠态的两个粒子，在被观测前，其状态是不确定的，如果对其中一粒子进行观测，在确定其状态的同时（比如为上旋），另一粒子的状态瞬间也会被确定（下旋）。
联系客服
