提高思维层次
导读
量子热学似乎是一个最最精确的理论，是我们有史以来最精确的这些检测结果，都是量子热学搞下来的，所以量子热学一点都不可怕。
视频链接：
菠萝视频：
本视频发布于2021年9月17日，观看量已达4.7万
精彩重现：
【9月11日19:00，我在明日头条/香蕉视频/抖音进行多平台直播，聊了聊量子科技现今与未来。我们把直播的精彩片断剪辑成视频，共两集，这是第一集。】
明天我们讲的主题是量子信息原理与技术，这个是我讲过次数最多的一个硬的科技领域。
你们都晓得近些年来量子信息成了一个十分特别热的词，例如说2016年的8月16日，中国发射了世界上第一颗量子科学的实验卫星“墨子号”，这个是引起了巨大的公众的风靡。
之后到第二年，2017年的9月29号，我们开通了世界上第一条量子保密通信的干线，称作沪宁干线，之后呢，去年末，就是2020年10月16日，量子信息又火了一把，是由于中央政治局集体学习量子科技，让全省人民都晓得有这回事了，之后在今年的12月份，“九章”光量子计算机在全世界刷屏，你们都晓得我们作出了一个十分重要的光量子计算机。
这么在量子信息这么火热的情况下，之后就有好多人，他形成了种种的，过分这个夸张的幻想，例如说以为这个量子通讯是一种超光速的通讯，以为它是种空间跳跃，之后对量子计算机，就以为它是无所不能的。
之后还下来另外一个方向的看法，就是有好多店家，捉住这个商机，推广各类各样的所谓量子保健品，比方说就有记者来问过我，各类各样稀奇怪异的，哪些量子能量舱、量子美容喷雾、量子美容品，他问我这种东西是真的吗？
我回答是全都是假的，那全都是骗钱的，之后呢，因为这种误导东西太多，都会有人形成另外一个方向的思索，就有人觉得那是不是整个量子科学都是伪科学，都是假的，之后她们就觉得潘建伟那些人都是骗局，这么究竟该如何来认识这种现象呢，明天我们就来好好讲讲真正的量子科学是哪些。
例如说你听到反对量子信息的（文章），都会有这样的，里面第一个，是一个你常常听到很神奇的文章题目，说《我们的认知再次倒塌了，我们认识的世界可能根本不存在》。
这个堪称是知名的生物学家施一公教授说，实际上这是诽谤，施一公从来没有说过这个，这是她们的移花接木，把施一公的话跟其他一些她们自己捏造的话连在一块，施一公早就辟过谣了。
之后像下边这个所谓《扫谎打非，迫使潘建伟教授走出迷途》锗与量子通讯，这是一个堪称是上海学院化学大学退职班主任王国文写的，这个王国文，是好几年如一日地，在猛批潘建伟，在他眼中潘建伟做的东西全是伪科学，之后这种人在公众舆论上也造成了很大的混乱。
之后去年CCTV焦点采访记者也以前来问过我，说她们搜集了一大堆市面上的各类所谓的量子保健品，叫哪些量子美容喷雾，各类各样的哪些量子美容仓，问我这种东西是假的，我说全是假的，量子根本不是拿来做这些民用科技的，这么真正的量子科技是哪些样的？
我可以告诉你们一个好消息，就是中国科学技术学院的出版社很快还会出版我这本书，称作《量子信息简话》，这个书就是系统地向你们来介绍量子信息这个领域的，你们看这本书对常见的这种量子信息的问题，就可以完全的回答，但是你会全都晓得原理了，所以这个应当很快你们就接见到我这本书了。
这么说来说去最最基础问题就是说，量子到底是哪些？由于它名子称作“子”对吧？所以有好多人立即就认为，量子应当是个粒子，大家平常都晓得有电子、质子、中子、中微子等等那些都是子，它的第一反应就是说量子是个哪些子呢，它跟那些电子、质子、中子、中微子相比，它到底是大是小呢，最基本的回答就是说，这个问题本身就是错的，这个量子根本不是这个意思，量子不是个粒子，量子的正确理解是哪些？
量子是离散变化的最小单元，这个才是对它的精确的定义。
哪些称作离散变化呢？最典型的表现就是像右侧这个图，就是上台阶，上台阶的特性就是说，你可以上一个台阶两个台阶三个台阶，而且你不可能上半个台阶对吧？如果你上半个台阶，结果你会跌倒，都会住诊所了是吧？之后平常我们统计人数的时侯也是这样，你可以数出有一个人、两个人、三个人，而且不可能有半个人是吧？这些称作离散变化。
所以对于这些离散变化，变化最小的那一格，那最小的单元就是一个量子，所以对于上台阶来说，一个台阶就是一个量子，对于统计人数来说，一个人就是一个量子。
所以当我们谈到量子这个词的时侯，我们一定要说它是对于某个事物的量子，例如说光子就是光的量子，就是说我们平常看见一束光，它是由好多个光的量子组成的，这一个光的量就是一个光子，之后电子最初是在阴极射线当中发觉的，比方说我们看下边这个图，19世纪末的时侯，约瑟夫·约翰·汤姆逊（John）他首先发觉了电子，那时侯是以阴极射线方式出现的，从阴极打出如此一束射线，你用一个吸铁石可以使它偏转，可见它是带负电。
如今我们晓得阴极射线似乎就是电子数，这儿面就是1个电子组成，你可以有1个电子、2个电子，并且不能有半个电子，所以电子就是阴极射线的电子，阴极射线的量子，所以你们就记住了，每每我们提到量子的时侯，它一定是针对某个事物的量子，并没有某个粒子专门称作量子，所以你不可能去问量子跟电子、质子、中子相比是大是小，这个问题本身就是错的。
这么在微观世界当中，有一大类现象，它都是量子化的，就是说它是离散变化的锗与量子通讯，就是不连续的变化，例如说氢原子的基态，这个氢原子是世界上最小的原子，它只有一个电子，之后这一个电子，它可以出现的能量是分立的，比方说最低的能量是-13.6eV，图中单位是eV，eV是哪些意思呢，是-volt，就是电子伏特，它是一个能量单位，最低的，就是现今标准1的-13.6eV，上一节呢，第二个是-3.4，负的3.4是如何来的呢？是-13.6乘以4，就是乘以2的平方，再上一个是它乘以3的平方，再上一个是乘以4的平方，就是说第n个能量，就是-13.6eV乘以n的平方，它并不是等宽度的，并且它确实是分立的，也就是说你可以在这个，n取1到任何一个数值都可以，而且你不会在这中间出现一个能量，比方说你不会出现-11eV对吧？所以对于这些不连续的变化，我们就称它为量子化了。
所以这个微观世界，它的一大本质特点，就是说有好多化学量都是量子化的，所以有整个一个大的基础数学学科称作量子热学，它最早是在1900年出现的，是谁（提出的）呢？
就是右侧这个人普朗克，日本化学学家普朗克，在1900年最初提出了量子热学，他是首先发觉一个化学现象，称作宋体幅射这一点，这个宋体幅射它实际上就是，如今晓得它就是发出光子，就是发出电磁波，它上面能量必须是一份一份的，不是说你想花发多少发多少，而是说它只能是发一份两份三份，而且不能发半份，这是一个石破天惊的发现了，所以1900年普朗克最先提出了量子热学，后来有好多科学家都对量子热学作出了贡献，到20世纪30年代，量子热学的理论框架基本上完善上去了。
有什么人对它作出贡献呢？有特别多的人，比方说爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克、玻恩、泡利等等，这种人都由于量子热学得到了诺贝尔奖。
之后在量子热学出现以后，你们就把先前我们熟悉的热学就是牛顿热学，如今给它称为精典热学，所以量子现今更多是作为一个形容词，精典也是作为一个形容词，我们是把量子跟精典这样作为一对，它们是对比的，即便你据说某个现象是精典的，某个现象是量子的，这么这样肯定是量子的比精典要高明，量子是对的，精典是错的，假如这两个的推论不一样的话，肯定是量子热学是对的，精典热学是错的，并且在精典热学的适用范围之内，就是说宏观物体的低速运动，这个时侯量子热学得到推论，跟精典热学是一样的，也就是说精典热学相当于量子热学的一种特殊情况，也就是说量子热学的适用范围比精典热学要大得多。
之后在上面我们谈到了，上面这种人都是由于量子热学得到诺贝尔奖，其中最非常一个就是爱因斯坦，你们都晓得爱因斯坦最大的成就是提出相对论，然而爱因斯坦得诺贝尔奖确实是由于量子热学，不是由于相对论，这是十分神奇的一件事情，就是由于诺贝尔奖的评比委员会，她们特别不喜欢相对论，她们仍然不相信相对论，所以她们宁愿由于量子热学发给爱因斯坦一个诺贝尔奖。
这么实际上相对论跟量子热学是现今数学学的两大基础理论，她们是现今数学学两个支柱，其实这是一个很非常的状况，就是说基础理论为何会有两个，假如它是真正的最基础的理论，那不应当只有一个吗？
所以这实际上是个严重的问题，就是说量量子热学和相对论，两个还没有融合上去，是应当存在一个更基础的理论，把这两个融合上去，这个是我们当前努力的方向，然而现今还没有做到，这个是数学学的前沿，所以我们来比较一下，相对论和量子热学，它们处于哪些状况？
相对论你们都晓得，它主要就是爱因斯坦一个人搞下来的，所以一提及相对论你才会想到量子热学，都会想到爱因斯坦，然而量子热学你说它是谁搞下来的？这很难说，由于它参与人实在太多了。
这么好多人一旦晓得了有量子热学这个学科以后，下意识的问题就是说量子热学能拿来干哪些呢？实际上这个问题问得不好，更值得问的是它不能拿来干哪些？由于它能干的事情实在是太多了，你几乎找不到一个它不能干的事情。
反倒你可以问一下，相对论能拿来干哪些，由于相对论能干的事情实在是并不太多，譬如说宇宙学须要相对论是吧？那大爆燃理论哪些的，黑洞之类的东西，之后重元素，它那种物理会用到相对论，由于重元素那层电子跑得很快的，接近光速了。
之后还有一个，好不容易找到一个，在日常生活中就要用到相对论的是卫星导航系统，叫GPS北斗，这些它须要用到相对论，由于它卫星跑得很快，这个是出现了狭义相对论的效应，同时它这个卫星离地面很远，卫星里面它遭到的重力，比在地面要低，这又会形成一个广义相对性的效应，这两个效应都是须要考虑的，须要把它交纳掉的，否则导航就不准了，然而数来数去，日常生活中就那些了，而且量子热学，在日常生活中你是每时每刻都在用，我告诉你们，你即便在用电，任何一个家电，你就早已用到量子热学了，所以量子跟相对论这两个领域，是完全不一样的。
所以我们来解释一下，有一些最基础的问题，都是有了量子热学以后才会回答的。比方说一个最基础的问题，就是原子的稳定性，我们都晓得这个原子，是由电子和原子核组成的，电子带负电，原子核带正电，这么一个显而易见的东西就是说，电子莫非不会落到原子核上吗？它既然遭到原子核的静电的吸引是吧？它为何不落起来？假如是精典热学，那它肯定会落起来的，这么结果不就是原子崩溃吗，所以一个最基础的问题就是，我们为何还能稳定存在是吧？
原子为何还能稳定存在？这个就是回答量子热学，就是说由于原子当中的电子的基态，量子化它有个最低值，你最低等到哪个最低值，比方说对于氢原子来说，就是-13.6eV，你不可能更低，假若电子落到原子核上，那弄成负无穷了是吧？这个比哪个最低的还低了，所以它落不起来，这个就是对于原子的稳定性的回答。
下一个问题就是为何原子又会聚成分子是吧？似乎就是物理的基本问题，回答是说分子的基态也是，分子能量也是量子化的，它也是一格一格的，之后两个原子聚成一个分子，如果分子的最低基态比两个原子的能量加上去还要低，它还会放出能量，所以它们产生分子是有利的，这个就回答了物理的基本原理。
之后下一个问题也是通常人不会想到的，就物质为何会有韧性，也就是说世界上为何会存在固体是吧？比方说这块板砖，或则这块钢铁，它为何是硬的？这个问题实际上就等价于说，这种原子它们相互之间离得太近了，为何会推开而不会落到一块去对吧？
这个问题的回答是说由于有一个粒子称作费米子，比方说电子就是费米子，跟费米子相对叫玻骰子，费米和玻色是两个知名的化学学家了，费米子的特性就是它们要满足这个泡利不相容原理，它们之间你若果离得太近的话，它们会相互推开，也就是说它们不能落到同一个状态里面去。
你若果把两个电子放得十分近，它们都会形成一个特别强的抵触力，以防止它们落到同一个状态是吧？所以这个就解释了世界上为何会出现固体。
下边一个问题是我们日常生活中每时每刻都在用的，就是导电性，为何有些物质能导电？例如说铜和铝能导电是吧？它们是十分好的导体，有些物质不导电，比方说木头和塑胶它就不导电，之后前面我们又会发觉有些物质是半导体，比方说硅和锗，有些物质是超导体，比方说高温下的一些金属，这种问题传统理论是完全无法解释的。
你假如问一个19世纪的化学学家，说为何有些物质能导电，有些物质不导电，他能给你的最好的回答也不过是说，这些能导电的物质上面电子是自由的，不导电的物质上面，电子是不自由的，这实际上我们在学校和高中学到的导电理论就是这样的，所谓自由电子理论是吧？
然而仔细想一想这真的算一个解释吗？实际上它没有解释任何东西，它只是同意反复而已，由于它只是告诉你，你若果能导电，你就把它称作自由电子，不能导电就把它叫不自由电子。
那你要问他你能不能预测呢？能不能告诉我为何铜和铝上面的电子就是自由的，木头和塑胶上面的电子就是不自由的，回答是由于它根本预测不了，所以这个理论它只是玩一个文字游戏而已，只有在有了量子热学以后，我们才发展出整个一套新的理论，称作能带理论，能量的能，领结的带，条带的带，这个能带理论是才能让你去做估算，就能精确地预测，什么物质能导电，什么物质不导电。
我们还能否发明出新的物质，比方说半导体和超导体，之后量子热学不可是才能解释现实世界早已有的现象，但是它还能否发明一些新的设备，比方说激光器和发光三极管，这个你们也都时常用，比方说我如今用这个激光笔，这个就是量子热学，药量子力学的效应能够造下来的，假如没有量子热学，你是完全不能理解激光这些现象的。
所以现代社会所有的技术成就，都离不开量子热学。所以你若果要问，量子热学有哪些用是吧？这是一个十分外行的问题，说明你肯定对量子热学一无所知，你若果对量子热学有一点了解，你就肯定不会问这些问题了。
既然对量子有点了解，你会发觉原先它出现早已有100多年了，它1900年就提出来了，它完全不是一个新兴事物是吧？那它为何现今这个词忽然显得这么火爆呢？回答是说新兴事物是称作量子信息，是一个交叉学科，是从80年代以来量子热学跟信息科学两个交叉上去，形成一个新的学科称作量子信息，量子信息它是要干哪些呢？它就是借助量子力学这些框架来做到传统的信息科学做不到的事情。
例如说哪些呢？例如说有一个最惊人的，称作传送术，比方说好多悬疑连续剧，比方说《星际迷航》里面，最核心的技术称作传送术，biu的一声，把一个人从这里传到那里，这个东西叫传送术，这个东西是一个真实的技术，在量子信息里面，它确实有这个技术，称作量子隐型传态，曾经传送是个纯粹的幻想，并且到了现今，传送术是一个真实的技术了，这个到前面我们会来仔细地解释一下量子隐型传态。
所以你们可以看见，量子信息确实是一个十分神奇的一个学科，上面可以实现好多曾经完全没法想像，完全无法做的事情。
这么具体的量子信息包括什么内容呢？你们可以想一下，我们平常用到的信息技术包括哪些？用到最多的是手机对吧？手机是拿来通讯的，之后有计算机，计算机是拿来做估算的，之后我们平常用的像直尺、温度计、钟表这种东西，当然也可以算作信息技术，它们是拿来做检测的对吧？
所以相应的，量子信息也包括如此三大块，就是量子通讯、量子估算和量子精密检测。
之后这三大块上面，每一个又包括一些具体的技术，例如说量子通讯上面包括量子密码和量子隐型传态，这个量子隐型传态就是我昨天说的传送术，量子估算上面包括量子的诱因分解，或则量子的搜索，之后量子精密检测上面，包括像原子钟和量子雷达这般等等，前面我们来分别来解释这三大块。
在这三大块当中呢，最容易理解的是量子精密检测，由于你都不须要了解它的原理，你只须要明白一件事情，就是通过这些量子热学的技术，可以使我们把个别数学量，测的比原先精确得多，你提升了检测精度，你其实就可以做到好多曾经做不到的事情是吧？这是显而易见的，所以这个东西是最容易理解的。
我们来举几个反例，比方说有一个新的技术称作雾里看花，这是她们自己起的名子，雾里看花，它实质就是单光子成像。就是说曾经的这个成像，比方说我们如今用的拍照机，常常是用CCD，它是用光电侦测仪，就是你如今用你那种手机，它那种成像原理可能就是CCD，这光电探侦测器，你创立一个象素点，大约须要接收到10亿个光子才行。而现今潘建伟教授和徐飞虎院士，她们做了很大的改进，她们发明了这些单光子成像的仪器，你只须要一两个光子，就可以成一个象素点，例如说她们就可以做到在8.2公里之外，辨识一个人的姿态，这个人实际上是个公仔，摆出一个木偶，你看你就可以大致看下来，里面那种图是一个人把右手举上去，下边这个图是两只手一只向下一只向上是吧？
你就看中间那种图就是对吧，可以看个八九不离十对吧？这而且离了8.2公里，之后右侧那种图是隔了45公里，之后还是在灰霾天气，看北京的闵行航空大楼，你若果用常规的象素去看，你能看见哪些呢，你是哪些都看不到，它就雾蒙蒙的一片是吧？并且你若果用这些单光子成像，你还可以马马虎虎，你还可以看出一个轮廓，之后你可以判定这是奉贤航空大楼。
所以她们把这个称为雾里看花，就是虽然在灰霾天离得十分远，你都还能看一个大致的轮廓下来。
那下一个是量子雷达，实际上一看到量子雷达这个词，你们就会很激动是吧？好多人都会想到，第一个问题是说，这个东西是不是能拿来侦测隐型客机，我可以告诉你们，量子雷达虽然有很多种，光我所知的，在研究量子雷达的单位就有很多家，她们不同的单位研究的量子雷达是不同的原理，而且我熟悉的这一个量子雷达，是拿来侦测大气风场的，也就是说侦测我们的大气层上面每一点，它有没有在下雨，假如有的话风朝哪里刮，风的速率是多少？这个叫大气的风场。
这是谁做的呢？这是窦贤康教授、潘建伟教授和张强院士她们一块合作来做的，这个用雷达来侦测大气风场，这是一个传统已经有之的技术。并且传统技术形成的困难在哪里？最大的困难来自太阳，由于太阳它会形成一个巨大的干扰，之后太阳干扰最少的那部份波段，虽然是红外波段，因为太阳它发射下来不是可见光吗，红外那部份太阳光的硬度是比较低的，然而这个麻烦是在于侦测器，就我们红外侦测器的性能是比较差的，所以呢，窦贤康、潘建伟、张强她们做的改进，是她们发展了一个单光子频度的转换技术，就是你打出去的是红外光，之后接收回去的时侯，就用频率转换技术把红外光转化成一个863纳米的一个光，之后这个光是比较容易侦测的，所以你用这个就可以把那种侦测的效率大大提升，这样的话你就可以把侦测的效率大大提升，所以最终的结果是把侦测距离从原先的2.6公里调到了8公里，这个就特别大的，很显著无论是军用还是民用的价值，都十分显著了。
之后再下一个，这个又是潘建伟和徐飞虎她们做的，她们把它命为隔墙观物，这个东西看上去这个也十分简单，也就是说，平常我们假如看一个东西，你隔著一堵墙，你其实不可能看它对吧？那种墙就把它堵住了，而且如今你可以用这个墙把它这个墙当作一个反射的穿衣镜，你竟然就可以接收到哪个物体的信息，你想想这是多么惊人的一件事情。传统的我们平常为何不能用这个墙当穿衣镜去看到这个东西？由于这个墙发生的是漫反射，就是你对它打一束光过去，光会反射向哪里呢？它虽然可以反射到任何一个方向。
假如是一个穿衣镜，穿衣镜发生镜面反射对吧？入射角等于出射角，所以你会成一个特别清晰的像，而且假如是一个墙上的话，它可以反射下来可以到任何方向，每一个方向硬度都很弱，所以平常你是成不了像的，并且她们有非常灵敏的光接收的技术，也就是单光子成像的技术，所以她们就可以用通过漫反射，三次漫反射，之后竟然回去一些光子。你就可以用这一小部份回去的光子，就可以建立出物体的像。这个究竟回去多少呢，她们是说你发一次发出了460亿亿个光子，之后其中有674个经过了三次漫反射回去，你就捉住了如此674个，你想想这个损失率有多高是吧？并且你这亿亿分之一的幸存率是吧？你还是捉住了，之后就用674个光子，之后经过反演，之后你可以把这个物体的像，建立下来。
你看这个一侧那种图，里面最右侧这个是两个公仔，里面那种是一个人抬起右手，之后倒数第二个，就是第4格的那种，这么你大致看得到，一个人抬起右手，之后下边那种是一个H的形状，你看哪个，大致是H的形状，所以你可以判定个八九不离十。
OK，量子精密检测，这个是任何人都可以理解的，虽然你对量子热学是原理完全不懂，并且你可以理解，它是十分有用的是吧？之后前面这个量估算和量子通讯，你要理解它们是干哪些的，那种难度就比较大了，你就必需要理解量子热学的原理。
所以下边我们来讲一下量子热学的原理，并且每每我们要讲量子热学的原理，首先要克服的是一个心理困难，有好多人一听量子热学就怕了，由于他早已听到过好多种这样的说法，比方说“不自量力”是吧？不要自学量子热学，量力而行，这个量力量量子热学，随机过程随机过，诸这么类的这样的笑话是吧？
所以她们还没学腿早已软了，她们认为学得很焦虑是吧？所以在她们印象当中，量子热学是一套无法理解的玄学是吧？我们首先要摒弃就是这些迷信，就是你先不要自己捉弄自己，量子热学不是玄学，这个道理是十分清楚的。就它正确理解是，量子热学是一套清晰的物理框架，就好比是一个微观世界运行的一本操作指南，物理框架它最大的特征，虽然是它特别的精确，有好多人以为，由于她们都据说有个词叫测不准原理是吧？
所以她们以为量子热学上面一切都是模糊的，你哪些都不准，恰好相反，量子热学是一个极其精确的理论，例如说我们近来有个事例，量子热学当中有一个十分重要的一个常数，称作精细结构常数，我们常常用α来代表，精细常数它表示的哪些意思？就是氢原子的那一个电子它的速率跟光速的比值，所以你可以算下来大约是1/137。
之后在最新的实验当中，去年末就有一拨美国人去检测了精细结构常数，她们把它测准到了万亿分之81，她们现今测下来这个精细结构常数求导，大约是137.±11，就最后两位数加减11，之后并且直至那么多位数，一直跟理论值是符合的。
所以就是说量子热学似乎是一个最最精确的理论，是我们有史以来最精确的这些检测结果，都是量子热学搞下来的，所以量子热学一点都不可怕，它是一个极其精确的理论，并且全世界有数以百万计的科技人员，都是熟悉这些操作指南的，起码全世界所有的数学专业和物理专业的中学生，都学过量子力学，所以这个量子热学没哪些可怕的，你要学懂它这完全没问题。