19世纪丹麦足球运动员梦断职业赛场,改学数学,开启近代量子科学

千秋过往 2024-03-15 03:13:32

现代物理学的两大支柱,一个是耳熟能详的爱因斯坦相对论,另一个便是如今经常被提起的量子理论。

量子到底是什么玩意儿,它们又是怎么来的呢?

19世纪的最后一天,世界著名科学家齐聚一堂开表彰会,在互相吹捧中个个都以为自己成了终结者——物理学的终结者。

“物理学大厦已经落成,以后就剩下一些敲敲打打的修饰工作了。”

意思是所有得科学都被搞的差不多了,后人都不需要干活了!

实际上呢,还有两个关键问题未得到答案。

第一个,声音靠空气传播,太阳光靠什么传到地球?

第二个,辐射能量是不连续的。

物理学家被迫提出各种假设来解释这两种现象。

于是第一个问题诞生了相对论,第二个问题诞生了量子力学。

这两套理论研究和衍生的对象是光,理论基础是波粒二象性。这套理论支持所有的粒子既有粒子性也具有波动性。

但这套理论与已经得出的电子、质子、原子理论完全不同,按此往下想,以前所有的物理学将全部被推翻。

科学家脑壳一下子大了,自己推翻自己的所有事小,物理学一夜回到解放前事大。

全球科学家迷茫和彷徨至极。

这时,一个叫玻尔的人提出一套模型,并在氢原子上证实了其实微观世界的电子轨道也是不连续的,是一段一段的。

科学家第一反应是那边凉快你到那边待着,因为玻尔是一个足球运动员。

最后,当玻尔的理论被证明真的是正确的,并因此获得诺贝尔奖时,全球物理学家彻夜欢庆,载歌载舞,仰天长啸,我们是科学家,我们没有错,我们就不会犯错。

那一年的丹麦铺天盖地报道“我国足球运动员获得诺贝尔物理学奖。”

中国国足汗颜啊,干啥啥不行,吃饭第一名……

西方球员,踢完足球该搞科研搞科研,该开公司开公司, 足球是副业;

伊拉克、叙利亚、阿富汗球员踢完足球该扛枪扛枪,该钻防空洞钻防空洞,足球是副业;

中国国足踢完足球该喝酒喝酒,该把妹把妹,足球是副业。

在1900年,德国物理学家马克斯·普朗克正式提出了量子理论,自此为人类开启了探索“微观世界规律”的“新物理革命”。

各位,什么是量子?“量子”的意思其实就是不连续的,一段一段的意思。

量子是物体最小的、不可再分割的能量单位。

物理书上提到的分子、原子、电子都是量子的不同形式。

微观世界中,我们的世界全部由量子组成,我们每个人也都是纯量子产品。

那量子有什么功能?举个例子,日本漫画《七龙珠》里面孙悟空从界王神大人那里学到的瞬间移动,大家应该都看过。

但你知道否,量子能让物体的瞬间移动从虚幻成为真实。

打个比方来解释量子,我们拿一块钻石按照量子单位对钻石进行分解。

首先把这块钻石在北京实验室里肢解到量子级别,分解出的量子不仅包含钻石的量子,还有钻石中杂质的量子。

分解完成看构造,你会发现分解到极致的各式各样的量子在这个世界大量存在。

你可以在北京以外的地方,我们假设在成都,找到相同的量子,完全一模一样的形神皆是,从内到外一模一样的那种。

如果你能把这些量子一比一组装复原,此刻你得到的是一颗真正完全一模一样的钻石。

一模一样的地步到了成都这颗钻石随着时间的风化、衰减,内部分子运动都是和北京那颗实时的一模一样。

量子做到的不是复制和仿造,而是让一个物体同时在不同空间存在。

这时,我们把钻石想象成人,那么量子化的你可以同时出现在北京的天上人间,郑州的皇家一号,东莞的太子辉酒店。

这就是量子,以微观铸造宏观。

也就是说你可以在天上人间把妹后,立刻切换到皇家一号把妹。特别强调一点,不是同时存在,而是相互切换。

这就是马上要讲到的量子纠缠。如同心灵相通,你死我也是死的那些脑残剧和神话。

所以有时真的无法解释这种雷同,难道科学的尽头真的是玄学啊。

量子实在太小了,于是神奇的一幕出现了,两个量子之间经过配对或同步,专业名词叫“纠缠态”。

两个量子之间配对形成“纠缠态”后,能超越空间与时间,达到了无缝连接。

无论相隔多远,当一个量子的状态发生变化,另一个也会“瞬间”发生相应变化。

爱因斯坦曾把这一现象称作“鬼魅般的超距作用”。

如何实现纠缠呢?目前有两种方法,一种是用激光照射。

激光能量高于量子,能抹去量子原有特性,而让两个量子得到同样的特性,可以说成是传承。

这时的两颗量子如同任督二脉打通,一下心灵相通,骨肉相连;

第二种方法是让量子发生碰撞,然后再分开。

这个过程中,量子的特性被固定,再分开时,携带的特性已经完全一致。

分开的量子若是再去与其他量子结合,再分开,不断重复,扩散到所有地方。

此时,任何一个量子的喜怒哀乐,其他量子都能实时感受。

这就是量子。

关于量子的发展和竞争,全球各国主要力拼的是量子通信、量子精密测量和量子计算。

量子通信可以在理论上做到绝对保密,量子测量则可以将目前的测量技术进一步精细千倍、万倍达到原子量级。

当下,量子计算机更是力拼的焦点。

因为经典计算机最大的瓶颈是无法解决计算量按指数增长的问题。

但如果用量子计算机,这类算法将变得轻而易举,几秒搞定。

为什么量子计算机可以带来计算速度的飞跃呢?

传统的数字电路只有0或1两种选择,一次只能处理一个数据单元。

量子计算机使用的计算粒子有原子、离子、光子等物理系统。

粒子的不同状态,如光子有亮与灭,还有不同的偏振状态,如同地球自转过程中会有不同角度的呈现,出现在太阳系的不同位置,每一个微小位置的改变都可以是一种状态……

这些状态,每一个我们都可以赋予它代表一种数据和计算形式,于是就实现了同时工作,自然远比传统计算机0与1的累积和计算要快很多倍。

我国的“祖冲之号”使用的是超导约瑟夫森结系统,“九章号”使用的是光量子系统。

未来可期。如今,量子科技已成为国际上风起云涌的战略科研方向。

我们现在模拟核武爆炸,超级计算机要计算很长时间的,但实际上真正的核弹爆炸生成爆炸参数就那么一瞬。

所以超级计算机的模拟花费的时间长不说,往往还有失真的。

如果改用量子计算则可以做到实时模拟和反馈,这是传统计算机无法与量子计算机抗衡的。

如今经过三十多年努力,中国在量子的多个战略方向上已经实现领跑或进入第一阵营。

在量子计算方面,美国最牛,一家独占56%的专利,中国排第二,比例约为26%,另外的国家相差太远,不足为虑。

在量子通信上,中国排第一,专利占比高达54%,美国是24%。

在量子测量上,中国申请的专利占比高达49%,排名全球第一,美国为32%,排第二名,其他国家相差太远。

2017年5月3日,世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在中国诞生。

2016年8月16日,我国发射了世界首颗量子实验卫星“墨子号”,开通世界首条量子保密通信干线“京沪干线”。

实现世界首次洲际量子保密通信,千里纠缠、星地传密、隐形传态。

目前,量子计算机离实用性还远,象征意义大于实际性,原因有点让人无语,太活跃了。

这就像你娶了一个美女,漂亮是漂亮,但老是红杏出墙、

量子运算也是如此,快如闪电,但老是跑偏,错误率很高。

量子在微观世界中永不停息的波动、运动,数量又多,导致了它们之间彼此会出现摩擦、拥挤和碰撞,一不小心就跑偏了。

科学家的解决方法是利用低温,让量子停止运动,目前只能实现减少量子的活跃度,还做不到让量子完全停止,即便是绝对零度。

这又让科学家抓狂,因为绝对零度的理论又出现了问题。

绝对零度的理论是在这个温度下,微观世界的一切都要停止运动。

目前,最有雄心的是IBM宣布,宣布最快两年之内,量子计算机就能投入实际应用了!

我国没有这方面的宣布,因为中华民族的美德是我们低调。

最后,我们介绍测量计算机性能的“玻色取样”。

当前超级计算机排名都是利用“玻色取样”来衡量计算机运行速度和性能的。

“玻色取样”道理如同我们在游戏厅里面玩弹珠。

小球从最上方被扔下,每经过一个钉板,都有一半的可能从左边走,一半的可能从右边走。

当有很多个小球从上往下随机掉落时,落在下面的格子里的小球数量分布上会呈现一定的统计规律。

“玻色取样”的计算机运算是把弹珠机中的每一个棍子改成一个线性计算公式,当光子下落触及棍子(线性计算公式),就会发生运算。

最后问这些光子的计算结果在每个口子输出的分布概率,

测试过程中想加大难度就是增加中间的棍子和落下的光子数量。

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