材料量子世界里

一群電子產生的愛情，

讓我們有機會人為地進行操控，

有機會構建未來的量子世界。

羅會仟· 中國科學院物理研究所研究員

格致校園第10期 | 2020年 北京

大家好，我是羅會仟。我今天講的主題是量子，我帶來了三套“玩具”，他們的原理都一樣。

我們先做第一個實驗。這是一個圓形的軌道，這是一個塊狀材料，我們把塊狀材料放到液氮里泡一泡，然后把它放到軌道上。大家看，發生了什么？沒錯，它懸浮在了軌道上。我推一下，它還能繞著軌道做運動。

下面我們做另外一個實驗。這是一個環狀物體。從表面看，這個環狀物體并沒有什么特別之處，其實它內部裝有超導線圈。通常，在不接觸磁鐵的情況下，我們是無法用這個環把磁鐵拎起來的。但是如果依靠液氮的幫助，就能實現這一操作。

我們用液氮泡一泡這個環，讓它降溫之后，現在磁鐵已經被拎起來了，而且完全是懸空的，我們需要用很大力氣才能將它拉下來。這其實就是量子的效應。量子實驗在現實生活中很容易做，但是同學們在家里不要隨便玩這種磁鐵，因為它的吸力非常大，不小心就會把你的手夾斷。

好，實驗就做到這里，我今天要分享的主題是“量子的愛情”。下面，我們就來講一講什么是量子的愛情，量子是怎么談戀愛的。

從原子到量子

已完成：10%//////////

說到量子，怎樣才能找到量子呢？

大家比較熟悉的可能是原子。把原子剝開后，里面是帶正電的原子核和帶負電的電子。電子繞著原子核轉，不過電子的運動軌跡并不像行星運動軌跡那樣有規律，電子是隨便亂轉的。

原子里有電子，而電子就是一個量子，原子核也是由很多量子組成的。我們經常說電子就是量子，所以如果可以操控電子，那么就可以操控很多量子現象。

為什么電子是量子呢？電子不僅帶著負電荷，它還像一個小磁針。生活中有很多磁現象，就是因為電子可以有序地排列。電子的排列呈兩種狀態：一個朝上，一個朝下，這在物理學里叫自旋。其實，你也不知道它朝上還是朝下，排列是很隨機的。

很多人都以為電子長得像球，實際上，粒子長得都不太像球，像球的只有氫原子，粒子的形狀都是亂七八糟的，有啞鈴狀，有梅花狀，等等。如果把這些電子放在同一個原子里，大家知道它們會呈什么形式排布嗎？會呈立方體的排布。

生活里有什么材料是立方體結構的？對，鹽。在一個有序排列的原子里，電子怎么運動呢？沒錯，這時電子不能隨便運動，因為它會遇到各種各樣的阻礙，也就是我們常說的電阻。

打個形象的比喻：電子在高速路上奔跑，它遇到了各種各樣的“收費站”，電子要停下來交費，能量會受到損失，運動的速度就會變慢，所以說，電子運動受到了一定的阻礙，這就叫電阻。

看上去任何導體都有電阻，那有沒有辦法去掉電阻呢？剛才我們做實驗時用到了液氮，液氮的主要作用就是讓導體降溫。那低溫下電阻會發生怎樣的變化呢？其實科學家們也做了很多相關猜測，以下是比較有代表性的三個猜測。

第一個猜測是開爾文做出。他認為，溫度下降后，電子會被凍住，電阻就會上升，這個猜測聽起來好像挺有道理的。

第二個猜測是馬西森做出的。他認為，電阻會隨溫度下降而減小，但有一部分電阻沒法避免，總會存在，即便到了絕對零度，電阻還是存在。

第三個猜測是杜瓦做出的。他認為，如果找到一個完美的材料，那么在絕對零度的情況下，這個材料的電阻會是零。

后來人們發現這三個猜測都不太對。剛才實驗中用到的超導材料就證明，到了一定溫度之后，電阻就會突然降到零，電阻就會消失。電阻消失的現象又叫超導現象。

超導現象是物理學家卡末林·昂內斯發現的。第一個發現的超導材料是金屬汞。當時卡末林·昂內斯將汞的溫度降到了4.2K（約-268.8℃），測得其電阻幾乎降為零。

電阻為零是什么概念？如果你們知道電磁感應的話，可以造一個電路圈，這時再加入一個磁場，就可以測出相應的感應電流，通過測量感應電流的變化就可以觀察出磁場的變化。

如果在超導體中做這個實驗，假設加1安培電流的話，大家猜一猜大概多長時間電流會衰減為0呢？

大概要一千億年的時間，比宇宙的年齡還長。這就是神奇的超導現象，它可以維持這么長的時間。也就是說，它幾乎可以做到毫無損耗地傳輸電能。

量子世界的愛情故事

已完成：30%//////////

為什么電阻會為零呢？讓我們回到最開始的主題——量子愛情。

一個帶負電的電子在帶正電的原子里運動，它會把一群帶正電的原子給吸引過來。因為電子和原子的質量差別很大，當它把原子吸引過來以后，自己很快就離開了。這時又來了另外一個電子，這群原子就會將能量重新釋放出來給第二個電子。

這樣一來，這兩個原本毫無關系的電子無形中就有了相互作用，形成了所謂的庫伯電子對，它們再也不孤單了，它們“談戀愛”了，這就是我們今天要講的愛情。

我之所以將這種愛情比喻成“蕾絲邊的愛情”，是因為電子是陰性的，有點像兩個女生通過一群男生的介紹后，相互之間產生了愛情。

實際上，材料中的電子有很多，并不只有兩個電子。這些電子相距都很遠，那如果有一群這樣的電子都配成了對，會發生什么情況呢？

那就會在整個材料范圍內形成巨大的量子波。在超低溫的情況下，這些成對的電子具有大小相等、方向相反的動量，于是可以無阻礙地在原子里運動，這樣就沒有電阻了。

如果大家很難理解的話，我可以再打一個形象的比喻。電子就像一只有缺陷的蜜蜂，它只有一個翅膀，有的只有左翅膀，有的只有右翅膀，有缺陷的蜜蜂自己飛不起來，必須抱團成對飛。

而且也不能亂飛，要朝著一個方向飛，必須成為電子對。電子對的距離可以非常非常遠，但只要其中一個在動，另一個就會跟著動。

原子是有序排列的，電子其實也是有序排列的，它們就像閱兵場上的士兵一樣，步伐整齊。一群士兵過來了，另一群士兵又過來了，狹路相逢時怎么辦呢？就只能打群架了。

如果我們將兩個超導體拼在一起，中間用一個絕緣體將它們隔開，左邊超導體和右邊超導體中的電子相互不認識的，但是它們都很團結，這兩群電子互相打架的時候會產生兩個光波，這叫雙縫干涉。兩群電子還會發生干涉，這叫夫瑯禾費衍射。

我們看到，電子在空間上有強有弱地分布，而且是可以調節的，我們只需要稍微改變一點磁場，就可以改變它的形狀，如此，我們就可以構造非常靈敏的量子探測器。

電子繞約瑟夫森結一圈，可以正著繞，也可以反著繞，這樣出來的磁場會一個朝上一個朝下，這就是兩個量子的疊加態。

量子計算機應運而生

已完成：60%//////////

大家不要小看我剛才講的知識，那其實就是量子計算機的基本原理。

這張照片拍攝的就是量子計算機。如果構造出量子糾纏，就可以做量子計算了。量子計算非常厲害，非常快。用一棟樓那么大的計算機集群做某個運算，可能要算一萬年，但是用量子計算機進行運算，只需要一秒鐘！

不過，量子計算機雖好，建起來卻非常難。就好比把兩個超導體拼在一起很容易，但是把無數個超導體拼在一起就非常難了。

這是中國科學家做出的20量子比特的芯片，有了量子芯片，就可以做量子計算了。

谷歌宣稱研制了一個由50多個量子比特組成的量子處理器。大家可能還體會不到這是什么概念。未來，50比特量子計算機如果真能建成的話，它將超越現在所有的計算機，現在所有的計算機在它面前都是渣。它會瞬間破解所有密碼，那將非常可怕。

大家想象一下，如果將來真有這樣的量子計算機，世界會變成什么樣。更可怕的是，這個量子計算機不是人造出來的，是AI造出來的，所以很多人都擔心未來將是機器人統治人類的時代。

當然，真要建成一臺這樣的量子計算機非常困難。剛才提到的電子計算機其實持續的時間非常短，狀態很容易就會被破壞掉。所以我們需要尋找一個更復雜的量子狀態。

照片中的這位科學家很多人都不認識，他是一位蘇聯科學家，叫波戈留波夫。我們經常笑稱他是專門棒打鴛鴦的。

什么意思？剛才講了，要形成超導效應，電子必須要配成對。但如果給正在談戀愛的一對電子加上磁場，加上溫度，就能把它們給拆開。

一分兩散的兩個電子不會分成兩個電子，而是分成兩種不同的粒子，這種粒子就叫波戈留波夫粒子。

波戈留波夫粒子會分成一對費米子——馬約拉納費米子。

馬約拉納是個神秘的物理學家，二十多歲離家出走后就杳無音信。神秘的馬約拉納天生具有超前的物理思維，他預測有一種粒子的反粒子就是它自己。后來證明這種粒子是真實存在的，所以叫它馬約拉納費米子。

我們認為這種粒子就像“天使和魔鬼的共存體”一樣，要操縱一個既是天使又是魔鬼的東西非常困難，我們需要非常獨特的材料，這個材料首先是超導體，上面還要再做一層拓撲絕緣體，將這兩者結合起來后，就會產生神秘的馬約拉納費米子。

有了馬約拉納費米子后，量子芯片就不一樣了，它受到了拓撲的保護，就能得到非常穩定的量子狀態，只要不強行進行破壞，量子狀態就永遠存在。

拓撲量子計算還能保證計算的精度，實現高精度操作的要求。

量子研究的未來

已完成：90%//////////

未來如果真的實現了量子器件的話，我們將迎來一個嶄新的量子世界。大家不要覺得量子世界離我們很遙遠，實際上它離我們非常近。

這些年，中國的量子技術發展取得了巨大進步。大家回想一下，第一臺電腦剛造出來的時候有三層樓那么高，有一棟樓那么大。但現在，我們手中的任何一臺手機都比當時第一臺計算機要厲害得多。這種快速的變化只用了短短二三十年的時間。

現在好像都是科學家在研究量子計算，沒準十年之后，我們的手機、電腦就都量子化了。到時候一臺量子手機就相當于現在的一臺超級計算機。

而未來一切的實現都依賴于最初的開端：材料量子世界里一群電子產生的愛情，讓我們有機會人為地進行操控，有機會構建未來的量子世界。

“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，致力于非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院網絡安全和信息化領導小組辦公室主辦，中國科普博覽(中國科學院科普云平臺)提供技術支持。歡迎關注格致論道官網: self.org.cn，微信公眾號: SELFtalks，微博: 格致論道。

本文轉載自《格致論道講壇》微信公眾號

《物理》50年精選文章