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D.量子世界

在刚刚过去的龙年里，中国人探索的足迹从海洋一直延伸到太空，对象涵盖了南极的远古冰芯和遥远的月球表面，不仅如此，还延伸到最微观的量子世界之中。量子理论通常被认为是玄妙和远离现实生活的，是少数科学家的理论玩物。其实不然，量子理论涉及对物质的组成和运行规律的基本认识，这决定了人们能够得到什么样的物质和制造出什么样的东西，或者说，决定了工业制造的高度。事实上量子理论可谓是现代工业的基础，从化工、材料到激光、核能、超导，都离不开量子理论的指导。而理论不是凭空诞生的，而是从实验之中产生的、并且被实验所验证的，

大亚湾的中微子实验充分表明了工业对于科学的促进作用。对于那些没有核电站的国家，或者是因为公众的恐惧而停止核电站的国家，进行这种实验是不可想象的。实际上很多最尖端的物理实验室都是用工业设施的基础改造而来的，比如位于中国四川的锦屏地下实验室，便是利用雅砻江锦屏水电站现有的地下隧道开挖的，位于2400米的岩层之下，是研究暗物质的绝佳场所。

如果没有这些实验，就没有对物质的深刻认识，也就不会有新材料、新能源、新器件，人类社会就只能维持在现有的生产水平，并在逐渐耗完可用的能源后走向衰亡。历史上这样的例子很多，绝大多数的古文明都是这样消亡的。中国也险些步其后尘，固守农业的生产方式和自我循环的历史，最后几乎亡国灭种。而西方世界则借助对于物质世界的探索打开了工业文明之门，把人类社会带上了全新的层次。现在中华文明已经脱胎换骨地成为工业文明，自然会从历史中汲取教训，不但要把工业之路坚持下去，而且要继续探索更遥远的世界、更基本的物质，只有这样才能拥有未来。

在实际应用方面，量子理论还可以用来建立从物理上不可破解的保密通讯线路。

量子纠缠是一种特殊的物理现象，源自于一对量子之间的内在关联。量子理论指出，对于两个处于纠缠态的量子来说，无论它们相隔如何遥远，一旦对其中一个进行测量，都会以某种方式影响另外一个的测量结果，导致它们塌缩为某种特定的状态，两个测量结果之间会表现出某种特定的相关性。量子通讯的基本过程是，发送者生成一对处于纠缠态的量子，并把其中一个通过量子传输通道发给接受者，双方分别对它们进行测量，利用各自得到的测量结果完成密码信息的传递。

量子通讯的工作方式是：每次通讯前，利用量子纠缠态传递一个不同的新密码，利用量子通道传递，而加密后的正文和其他信息则可以通过公开的信道进行传递。只要量子密码不被窃听，通讯内容就不会被破译。至于量子密码本身，如果有人试图进行窃听，即对其中的量子进行测量，就会导致量子塌缩。在这种情况下，这个量子就进入窃听者的接收器，而不是达到真正的接受者那里。依据量子物理的原理，发送者和接受者就会发现，测量结果和预期的对不上号，于是知道自己被窃听了。即使窃听者依据其测量结果，试图复制出相同的量子发送给接受者，也是行不通的。因为复制出来的量子和发送者手中的那个原始量子之间不存在纠缠关系，这一点会反映在接受者的测量结果里，收发双方可以据此判定遭到了窃听。

所以，量子通讯的保密作用在于，从物理上保证了窃听者必然会被发现，而不是某种不可破解加密算法，也不是保证密码绝对不被窃听。实际上，在保密通讯中，比密码泄露本身更可怕的，是密码泄露了而自己还不知道。二战中的德国和日本都因此吃过大亏。量子通讯的优势在于，一旦遭到窃听，会被立即发现，可以重新发送密码，直到确认未被窃听为止，然后才发送密文。最坏的情况是放弃通讯，胜过泄密了还茫然无知。所以，准确来说，量子通讯的优点并非是“不可干扰的”、“不可破译的”或者“不可窃听的”，而是“窃听者一定会被发现的”。

从量子通讯的原理可以看出，其难点在于如何长距离地传递单个量子（实际中是光子），并保证其量子态不因环境干扰而发生变化，也不可以使用中继和放大技术，因为这样一来就会破坏量子通讯不可窃听的特性。实用的量子通讯技术不是直接传递光子，而是通过某种方式把该光子的量子状态复制给远处的其他光子，从而在接受者那里制造出一个处于纠缠态的光子，从而达成量子通信的目的，这被称为“量子态隐形传输”，也就是中科院的潘建伟团队所采用的技术路线。

目前在量子通讯领域中国无疑已经走在了世界前列，这并非是一个孤例。同样是在最尖端的应用基础科学领域，2013年3月，浙江大学高分子系高超教授的团队制造出了世界上最轻的固体，这是一种密度为0.16千克/立方米的超轻气凝胶，是平常空气密度的八分之一，刷新了2011年由美国人创造的、固态材料密度0.9千克/立方米的世界纪录。超低密度并非是这种材料的唯一特点，它还具备高弹性，被压缩80%后仍可恢复原状；对有机溶剂具有超快、超高的吸附力，是已报道的吸油力最高的材料，在保温、催化和环保方面都有潜在的用途。

量子霍尔效应是量子世界中的重要研究方向，整数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现都分别获得了诺贝尔物理奖。2013年3月，清华大学的薛其坤院士领衔的科研团队在《科学》杂志上在线发表了量子反常霍尔效应的研究成果。量子霍尔效应需要很强的外加磁场，而量子反常霍尔效应则无需任何外加磁场，可用于新一代的低功耗微电子器件。实现这种效应的难点在于材料的制备，薛其坤团队用四年的时间，发展出了一套独特的制备方法，采用分子束外延的手段，得到了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜，在极端低温下进行精密测量，最终实现了量子反常霍尔效应。在这场正常科学竞赛中，美、德、日等国科学家也都发起了冲击，但均未取得最后成功。

量子理论还可以被用来做成量子相机。一般意义上的光学成像系统，无论是日常使用的卡片相机还是摄影记者手中的专业“大炮”，无论是科学研究用的天文望远镜还是军事侦察卫星上的观察设备，都是基于光线成像原理的，所有这些成像系统的分辨率都受到衍射极限的制约。物理原理决定了，它们的角分辨率能力与其镜头的尺寸成正比，通俗地说，有多大的镜头，就能够在多远的地方看见多小东西。某些电影中渲染侦察卫星可以看见地面上的细微景物，这纯属艺术夸张，实际中是不可能的，卫星的镜头尺寸受到发射能力的制约，所以亚分米的地面分辨率已经是其物理极限了。此外，所有这些设备都是基于光线成像，很容易受到光照、雨雾、云层等自然因素的干扰，轻则影响成像质量，重则根本无法成像。但量子相机却可以避开这些限制。

基于之前的研究成果，2013年8月，第一台量子相机的工程样机在上光所制作完成。值得指出的是，研制这台量子相机的，是一群80后年轻人，为了追逐自己的梦想，他们转战于城市、郊区、高原、大湖边，在极为艰苦的条件下，进行了大量晴朗、夜间、云雾、雨雾等典型气象条件下的室外遥感成像实验，取得了各种气象环境条件下的第一手数据，验证了世界上第一个能在自然条件下应用的量子相机。有了这样的科研团队，我们完全不必怀疑，伴随着工业化进程的加深、经济实力的上升和科技投入的加大，中国在尖端科学领域追赶上发达国际只是个时间问题。

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