陆朝阳:在量子世界里,孙悟空的分身术、筋斗云有没有可能?|2021腾讯青少年科学小会演讲

量子和量子计算机是什么?在量子世界中 , 类似孙悟空分身术和筋斗云的神奇现象是什么?量子计算未来会怎么发展?我们能实现科幻片里一样酷炫的“量子隐形传态”旅行方式吗?让我们跟随陆朝阳教授的脚步 , 一起探索奇妙的量子世界吧——
以下为演讲全文:
现场和线上的青少年朋友们 , 大家好!
首先非常感谢腾讯联合《科学》杂志花这么大的力气组织了非常好的公益项目 。 在我的朋友圈很多朋友都在评论说 , 现在的青少年真的非常幸福 。 其实前面几个分享不仅是小朋友 , 我们这些老朋友、中朋友也学到了非常多的东西 。
陆朝阳:在量子世界里,孙悟空的分身术、筋斗云有没有可能?|2021腾讯青少年科学小会演讲
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下面我就给大家分享另外一个非常有想象力的话题——量子计算机 。
什么是量子计算机?简单的说 , 它就是利用量子力学的原理来运行的一个计算装置 。
我们知道量子力学是目前物理学研究的一个前沿 , 其实很多量子力学的创始人包括玻尔、费曼 , 他们都说不能够完全理解量子力学 。
所以怎么样向各位小朋友来解释量子力学?我们就先从大家都非常熟悉的中国四大名著之一《西游记》开始说起 。 吴承恩在这样一部非常有想象力的小说里面 , 设想了一系列非常神奇的事情 , 比如说天上一日 , 地上一年 , 比如说千里眼、顺风耳 。
孙悟空是我们的英雄 , 他可以有分身术 , 如果我们也有分身术那就太好了 , 我们就可以把自己分身成好多个 。 一个做作业 , 一个打游戏 , 一个跟小伙伴愉快的玩耍 。
陆朝阳:在量子世界里,孙悟空的分身术、筋斗云有没有可能?|2021腾讯青少年科学小会演讲】孙悟空还可以翻筋斗云 , 一个筋斗十万八千里 , 完全没有我们这些普通人经常堵车或者飞机晚点的烦恼 。
我们在津津有味地看电视的同时 , 会不会觉得这些只是一些非常荒谬的想象?
非常有意思的是 , 当我们回顾科学史的时候 , 特别是现代物理学发展历史的时候 , 我们会发现《西游记》里面一些曾经我们认为很荒谬的想象 , 在一定程度上已经成为了现实 。
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比如说 , 爱因斯坦的相对论告诉我们 , 一个物体它的运动速度越快 , 时间就会走得越慢 。 如果有个双胞胎在北京出生了 , 一个留在地球上 , 另外一个以接近光速的速度做宇宙旅行 , 当他回到地球的时候 , 这个地球上的已经30岁了 , 但是做宇宙旅行的双胞胎他还没有满月 。
所以我们可以看到 , “天上一日 , 地上一年”在相对论里面感觉就是一个简单的推论 。
我们还知道 , 随着电动力学的发展 , 我们今天就可以很方便的用我们的手机、电话 , 和千里之外的亲人朋友进行通话和视频 。 所以看起来曾经让我们觉得很奇妙的千里眼、顺风耳 , 这些特异功能也成为了我们今天习以为常的事情 。
也许这些例子可以启发我们 , 也许很多时候梦想跟现实的距离并没有我们所想象的那么遥远 。
今天大家在会场 , 我们可以让自己更加疯狂地设想一下 , 会不会某一天 , 在某些层面 , 像分身术、筋斗云也会成为可能呢?
那么为了回答这个问题 , 请允许我带大家进入一个神奇的量子世界 。
量子物理学经常是以难以理解著称 , 经常大家有一个说法叫做“量子力学量力学” , 其中一个原因是因为量子力学所发生的微观尺度 , 是一个比我们头发丝还要小几百万倍的区域 , 所以在日常生活中我们不会有一些直观的感觉 。
下面我先给大家来介绍一下什么是量子 。 量子这个概念它其实是相对于经典的、连续的一些概念 , 这里我们可以看到一个斜坡 。 很多时候我们在做题的时候 , 会告诉你说 , 这个斜坡是无限光滑的 。 但是如果我们无限地去放大这个斜坡来看的话 , 最后我们会发现 , 就跟上楼的时候走楼梯一样 , 它不是无限光滑这么直的 , 而是一个台阶一个台阶 。 我们知道 , 上楼梯的时候 , 我们可以站在第一个台阶 , 第二个台阶 , 第三个台阶 , 但是不能站在1.5个台阶 , 1.8个台阶 , 因为这个不存在 。 所以量子就是物质和能量最小的离散化的单位 。
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比如说 , 我们在会场 , 舞台上有很多光 , 这些光就由一个一个光子组成 。 如果我们买一个40瓦的电灯泡回家 , 打开开关之后 , 它一秒钟就可以放出万亿亿个光子 , 就是1后面有20个零 。 所以它是一个非常非常小的能量单位 。 还有组成物质的原子 。 我们可以看到它普通的尺度 , 大概是比纳米还要小10倍这么一个数量级 。