何谓量子调控？

何谓量⼦调控？
量⼦调控就是我们怎么去⼲预分⼦、原⼦等等的运动规律，去为⼈类服务，它让我们更加深⼊、彻底地认识微观世界，是当今科学研究的⼀个技术前沿。

⼆⼗世纪的⽂明实际上是理解和运⽤奇妙的量⼦现象，造福于⼈类，但量⼦理论是否“真实”⼀直有争议
从⼩学学⾃然到中学学物理，都学了⼒学。

⼤家知道，⽜顿⼒学所描述的规律是我们⽇常⽣活的尺度上的，实际上宇宙⾮常之⼤，在不同的层次、不同的尺⼨⾥，客体的运动规律是不⼀样的。

⼆⼗世纪理论研究⽅⾯有两个最⼤的发明，就是量⼦论和相对论。

量⼦论怎么发明的？不是⼈凭空想出来的，⽽是有很多实验的规律逼迫我们，如果按照⽼的理论框框就没法理解。

⼆⼗世纪初发⽣了⼏件重要的事情。

⼀个是普朗克提出了⿊体辐射的规律，解决了所谓“紫外灾难”（形容经典理论的困境）的问题；然后爱因斯坦提出了光量⼦的假说，得了诺贝尔奖他得奖不是因为相对论。

后来在1912年丹麦科学家玻尔提出了初步的量⼦理论。

到⼆⼗年代，由于薛定谔、海森堡、狄拉克这⼏位科学家的共同努⼒，创建了量⼦⼒学。

量⼦⼒学跟⽜顿的经典⼒学是⾮常⾮常不⼀样的，那么它⼀个很重要的特征是什么呢？我们知道，粒⼦在运动的时候都有轨迹，就是任何⼀个时刻我们都能说出来这个粒⼦在空间的什么位置，速度是多少。

⽽量⼦⼒学就对此说“不”。

微观的粒⼦是没有轨迹的，海森堡明确提出来叫“测不准原理”，意思就是说⼀个粒⼦，⽐如说在X⽅向当中的坐标达到⼀定的精度，然后测它的动量的话，就有⼀个不确定性，两者不可能同时具有确定的数值。

我们在⽇常⽣活当中感觉不到这个事情，因为⽇常尺度要⼤得多得多，如果我们有办法接近微观世界，到了原⼦、分⼦、电⼦的世界⾥头，那么它就变得⾮常重要。

另外，粒⼦有⼆重性，就是它⼜像粒⼦⼜像波。

波⽐较直观，⽐如说⼀个池塘⾥的⽔波怎么传播，⼤家看得⽐较习惯。

⽽光波有个特性，如果你把⼀个波源放在这⾥，然后中间有两个窄缝，光波通过这两个窄缝继续往前⾛，到⼀定的距离上，⽐如投放到⼀个屏幕上，就会发现有⼲涉的条纹，有的地⽅特别亮，有的地⽅特别暗，这就是它的波动特性的显⽰。

那么按照量⼦论创始⼈的设想，粒⼦也有波动性，如果我们让⼀束电⼦经过这么两个窄缝，也会形成类似的现象。

好，这⾥我当然不可能讲整个的量⼦⼒学，总之在微观世界⾥，由于粒⼦的尺⼨特别特别⼩，它们遵从⼀些新的、我们常⼈想起来⾮常不习惯的运动规律，这些规律对我们的⽣活起了⾮常重要的作⽤。

这些讲起来有点⽞妙的东西，是我们整个现代⽂明的理论基础。

有了量⼦⼒学以后，我们知道了物质怎么构造的，分⼦、原⼦是怎么运⾏的，也明⽩了化学究竟怎么回事。

在这个基础上，⼜建⽴了所谓的固体电⼦论，有了半导体、晶体管、集成电路、磁性的存储材料、计算机技术等等。

⼤家都有⼿机，它实际上就是现代⽂明⼀个相当集中的体现，⼩⼩的⼿机⾥头集成了⼈类⼤量的⾟勤劳动所探寻出来的知识的结晶。

再⽐如光盘，它必须要⽤激光，这也是依据量⼦⼒学⾥受激发射的原理，发明了激光器。

⼆⼗世纪的⽂明实际上都是理解和运⽤奇妙的量⼦现象，让它来为⼤众造福。

量⼦⼒学是个很怪的东西。

刚才我们讲了测不准原理和波粒⼆象性，所以微观粒⼦不能⽤位置和动量（或速度）的⽅式来描述，量⼦体系的状态是⽤波函数来描述的。

可是，如果你要⽤宏观的⽅法测量它的状态，⼀测量就把它破坏掉了。

通俗地讲，就是这个微观世界有点拒他性，⾮常排斥我们这个宏观世界的⼈去⼲预它。

所以量⼦理论虽然⾮常有⽤，给我们造福了，但也⼀直是有争议的。

爱因斯坦是量⼦论最早的提倡者，但是他⼀⽣都特别反对量⼦⼒学，他对测不准关系和量⼦⼒学的⼏率解释很不满，认为量⼦⼒学是不完备的。

他曾经写信给玻尔说：“量⼦⼒学固然是堂皇的，可是有⼀种内在的声⾳告诉我，它还不是那真实的东西。

这理论说得很多，但是⼀点也没有真正使我们更接近这个"恶魔"的秘密。

我⽆论如何深信上帝不是在掷骰⼦。

”
原⼦、电⼦、光⼦和整个的量⼦世界，究竟是由⼈脑构造出来的，但是可以被利⽤的⼀个“⾃在之物”，还是⼀个看得见、摸得着、可以调控的“为我之物”呢？量⼦调控是当今世界的科学前沿，它能提供新的发展道路，让看起来天⽅夜谭的事情变成
可能。

量⼦世界看起来很神秘，但是随着现代科学技术的发展，可以真正认识它⽽且逐步来改变和影响它，让它进⼀步造福于⼈类。

要实现从观测到调控的转变，让量⼦世界的调控成为现实和进⼀步发展的必需。

⼤家知道半导体晶体管的发明是⼈类的⼀⼤进步，它可以做得⾮常⾮常⼩了，就是可以做成所谓的集成电路，这是从上个世纪六⼗年代以后就发展⾮常快的，以⾄于平均每18个⽉，⼀块晶⽚上⾯能够装的晶体管的数⽬就翻⼀番，基本上是指数型的增长速度，可是任何好事都还有个尽头嘛，现在实际上我们就⾯临好事的尽头了。

这是两个原因造成的，⼀是我们有集成电路这个想法的时候，都还认为电⼦做的是经典的运动，⽽实际上电⼦有很多量⼦的性质需要去把握；另外有⼀个⾮常现实的问题，就是晶体管越做越⼩，散热的问题就变得越来越困难。

1988年的时候，⼤概每个晶体管的集成度是四兆，就是每个⽚上有400万个晶体管，那么每个晶体管⾥⾯平均有⼀万个电⼦，如果按照这个趋势发展下去，⼤概到2016年就会在每个晶体管上只有⼀个电⼦，⼤家可以想想看，这件事情就是做到头了。

事情做到头了，就给科学家提出了新的命题怎么能够探索⼀个新的路⼦，来寻求信息技术的发展，让同样的能源达到最⾼的利⽤。

⼈类想从根本上解决能源危机，就是我们要学会如何像植物的光合作⽤那样，来⾼效率地利⽤太阳能，那能源就是取之不尽的，⽽且是绿⾊的，不会有这么多污染和环境的危机。

⼈类是有梦想的⾼级动物。

那我们能不能够造出⼀个⽣命来，让这个⽣命和⾮⽣命的系统来交换物质、交换能量、交换信息。

所有这些天⽅夜谭的事情，实际上随着科学技术的发展，随着对微观世界的认识，⼀步⼀步变成事实还是有可能的。

美国的能源部在2007年正式出版的⼀个调研报告⾥提出了五⼤挑战，包括：如何在电⼦⽔平上来操控材料的物性；如何按要求的物性来设计并⾼效合成全新的物质形态；研究物质的奇妙物性如何从原⼦和电⼦的复杂关联效应中衍⽣出来并加以控制，就是如何在纳⽶尺度上调控能量和信息，创造出可与⽣命物质相媲美的技术；如何表征并且控制⾮平衡态特别是远离平衡态的物质等等。

不仅美国和欧洲，我们国家重⼤的研究计划⾥⾯，其中有⼀项就叫做量⼦调控。

科学家在不断地发展精密测量的技术，在逐步掌握量⼦调控技术，这与现实⽣活密切相关。

那么，怎么来控制量⼦？
物质有两个⽅⾯，⼀⽅⾯是结构，⼀⽅⾯是运动。

如果我们把⼀个物体从结构上不断地分分分，希腊⼈早就知道最后是原⼦，然后⼤家现在知道原⼦还能继续分。

那么我们已经慢慢地掌握了物质的构造，产⽣了探测、操控或变⾰单独的电⼦、光⼦、原⼦的⽅法，⽐如扫描隧道显微镜、磁共振的技术等等。

物质还有另外⼀个⽅⾯，就是它的运动单元。

两个没有相互作⽤的粒⼦，它的结构单元和运动单元是⼀起的，但是如果它们之间相互作⽤很强，它的结构单元和运动单元就可能是不⼀样的。

运动的单元有所谓能级、⾃旋、轨道这些东西，那么我们也可以通过⾼分辨的、⾼灵敏度的技术来调控它。

举个例⼦扫描隧道显微术。

扫描隧道显微镜是两个瑞⼠⼈发明的，他们在1986年得了诺贝尔的物理学奖。

这是⾮常⾮常有⽤的东西，可以让科学家观察和定位单个原⼦。

其实它的结构很简单，是很简单的⼀个电路，就是有⼀个导体，然后拿⼀个⾮常细⾮常细的探针，把它放上去，然后给它加⼀点点偏压，结果它就能知道下⾯这个物质的原⼦并给它成像，然后你可以把这个针尖粘到⼀个分⼦上，可以把分⼦组装、变更。

这就是我们现在来操控微观世界的⼀个很有效的⽅式。

科学家们已经开始逐步地掌握量⼦调控的技术，在不断地发明、发展精密测量的技术，物理学的规律归根到底能够验证的话，是要靠精密的实验。

⼤家可能听说过，很多国家联合起来在欧洲核磁中⼼造了⼀个⼤型强⼦对撞机，简称LHC，是现在世界上最⼤、能量最⾼的粒⼦加速器，想要寻找⼀些叫做“希格斯玻⾊⼦”的粒⼦，如果这些粒⼦存在的话，就会打破基本粒⼦作为标准模型的现状。

⼤家现在到医院去做检查，除了X射线以外，很重要的还有磁共振成像，就是MIR。

但是这个设备现在的精度和分辨率还不够⾼，通过发明精密测量的技术，正负电荷的距离不到百分之⼀埃（⼀万万分之⼀厘⽶）或者是千分之⼀纳⽶，如果到了这样的尺度，运⽤这种技术来改进现在的MRI，就有可能把磁共振成像技术⼤⼤地往前发展。

现在世界上最好的标准钟是⽤⾦属铯做成的原⼦钟，它的精度可以达到10的负16次⽅，就是六千万年差⼀秒。

⼤家⼜想了，这个东西有什么⽤处？跟我们⽼百姓有什么关系呢？其实有很⼤的关系，开车的⼈都在⽤GPS，它是靠24颗卫星定在轨道上来测量的，保证它距离正确，就必须要这个钟⾮常⾮常的准确。

所以下⼀代GPS或者我们国家的北⽃计划，都需要靠发展这样的时钟作为标准，这就跟精密测量有⾮常密切的关系。

还有量⼦信息和量⼦计算的问题。

⼆⼗世纪的量⼦⼒学和信息科学合成以后，就可能产⽣⼀个全新的量⼦信息科学。

平常⼤家玩计算机都知道⽐特，⽐特就是⼀个⼆进制的数，⽽量⼦的⽐特不是这样的，它是⼀个量⼦的态，能够存储的信息量⼤的不得了。

那么量⼦信息可以有各种各样的载体，现在发展得也很热闹。

探索量⼦世界的重要⼿段是，创造综合极端条件，改变温度、压强、磁场等基本的物理参数来做研究。

为了探索量⼦世界，很重要的是要创造⼀些极端的条件，要改变温度、压强、磁场等基本的物理参数，来实现多样丰富的物理现象，来解决当前科学技术当中的难题，合成新材料，发现新现象，开辟新领域。

借助于综合极端条件，这已经是⼀个很重要的科学研究模式。

最近这三⼗年来，很多跟这个有关系的发现得到了诺贝尔奖。

在综合极端条件下，微观的粒⼦有很多很多的⾃由度，⾃旋、电荷、轨道、晶格，还有⼀种所谓的拓扑性质等等，不详细说了，那么靠这些东西，就可以来研究它、调控它。

⼀个德国的科学家提供了⼀个图表，就是随着研究设定温度的不断降低，不断地发现了很多新的现象，那么⼀个总的⽬标就叫做“向绝对零度进军”。

绝对零度是物理规律决定了不能够达到的地⽅，但是它不禁⽌我们⽆穷地逼近它。

现在我们已经可以观测到接近绝对零度的时候各种丰富的物理现象。

⽐如说整数量⼦霍尔效应，是靠极低温和强磁场研究出来的，它有什么好处呢？它提供了⼀个平台，可以拿来做制造电阻的标准，因为它的精度达到了10的负10次⽅。

极端条件除了低温，还有⾼压，利⽤⾼压的⼿段，可以创造其他⼿段不能得到的新结构，产⽣其他⼿段不能产⽣的新现象，或者其他⼿段难以合成的新物质。

做⾼压的⼈⼀个很⼤的梦想就要造成⾦属氢。

我们知道平常氢⽓是⼀个绝缘体，我们现在可以把氢液化，也可以做氢的固体，把压⼒加得更⼤的话，有朝⼀⽇可以把它变成⼀个⾦属的氢，如果能造成的话，它是绝对的重要，第⼀它会是⼀个室温的超导体，然后它是⼀个⾮常理想的绿⾊能源。

现在全世界的许多科学家都在奔
向这个⽬标，每次理论预算有⼀个估计，⽐如说⼤概是300万或350万⼤⽓压，那么等达到的时候，更精确的理论计算⼜发现可能还需要更⾼⼀些，但是⼈们都⼀直没有放弃⾦属氢的⽬标。

1加1等于2，好像弄明⽩1就全明⽩2了，但是我们还要明
⽩，“加”这件事情有的时候不是那么简单的。

我最后再讲⼀个概念。

量⼦当中产⽣的这些现象，英⽂有个描述叫Emergence，我暂时翻译成“衍⽣现象”。

量⼦⼒学的创始⼈之⼀狄拉克有个说法，他说为描述⼤部分物理和全部化学基本规律的数学理论已很完备，困难仅在于准确运⽤这些规律要解的⽅程式太难了。

说穿了，就是有了量⼦⼒学就可以了解全部的物理和化学，做不到只是因为不会算。

英国有⼀个天⽂学家叫爱丁堡，他说我们常想研究完1，就得完全明⽩1，那么1加1就等于2，但我们忘了还要研究如何加。

他的意思是，1加1等于2，好像明⽩1就全明⽩2了，但是我们还要明⽩，“加”这件事情在有的时候不是那么简单的。

美国⼀个著名的科学家叫安德森，他提出来⼀个观点，发表在1972年的《科学》杂志上，叫oreIsDifferent，中⽂我想可以把它翻译成“多者异也”。

他说，将万事万物还原成简单的基本规律，并不意味着从这些规律出发重建宇宙的能⼒，⾯对尺度与复杂性的双重困难，建构论的假定就崩溃了，不能依据少数粒⼦的性质做简单外推，来解释由⼤量粒⼦构成的复杂集聚体的⾏为。

正好相反，在复杂性的每⼀个层次，都会呈现全新的性质，为理解这些新性质所需要做的研究，就其基础性⽽⾔与其他研究相⽐毫不逊⾊。

这个话还是很有道理的。

在不同的层次⾥，确实有完全不同的结构，都有它⾃⼰的规律。

所谓衍⽣现象，英⽂Emergence有两个意思，⼀个意思就是通常的含义，⽐如⼈影⼦从暗处闪出来了，或者潜艇浮出⽔⾯了，或者故事情节展开了；另外它还有⼀个⽣物学的含义，⽣命物质从⽆⽣命物质演化出来，出现新的性质，新的功能。

我试着把它翻译成衍⽣，衍是衍化的意思，⽣好⽐中国⼈说的⽆中⽣有。

衍⽣是⾮常普遍的现象，量⼦的系统⾥头产⽣的所谓衍⽣现象就更多，更有意思。

最后想说明，基于对物质从微观到宏观各个层次运动规律的深刻了解和对微观过程的实验观测和调控，通过宏观⼿段逐步实现对量⼦世界的调控，这是我们的理想，也是可以逐步实现的。

那么要实现这个调控的基础，就是对衍⽣现象起因和条件要有深刻的理解，要通过改变相互作⽤和外界参数来影响衍⽣现象。