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量子热似乎是最准确的理论，而且我们见过的最准确的测试结果都是量子热产生的，所以量子热一点也不可怕。
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该视频于2021年9月17日发布，观看次数已达47,000次
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【9月11日19:00，我在名日头条/香蕉视频/抖音进行多平台直播，聊量子技术的现在和未来。 我们把直播的精彩片段剪辑成了视频，一共两集，这是第一集。 】
明天我们要讲的话题是量子信息原理与技术。 这是我讲得最多的硬科技领域。
大家都知道，量子信息这几年已经成为一个非常热的词。 例如，2016年8月16日，中国发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。 巨大的公众时尚。
然后第二年，2017年9月29日，我们开通了世界上第一条量子保密通信干线，叫沪宁干线。 之后，去年年底，2020年10月16日，量子信息再次火爆，因为中央政治局集体研究量子技术，让全省人民都知道了。 随后今年12月，“九章”光学量子计算机在全球范围内进行放映。 你们都知道我们已经制造了一个非常重要的光学量子计算机。
所以在量子信息这么火的时候，有很多人形成了各种夸张的幻想，比如认为这个量子通信是一种比光速更快的通信，认为是一种空间跳跃，然后对于量子计算机来说，被认为是无所不能的。
之后，我得出了另一个观点，那就是很多店抓住了这个商机，推销各种所谓的量子健康产品。 能量胶囊、量子美容喷雾、量子美容品，他问我这些东西是真的吗？
我回答说都是假的，都是骗局。 之后，因为误导性的东西太多，有些人会往另一个方向思考，有些人认为整个量子科学是伪科学，或者不是。 是假的，然后他们就觉得潘建伟他们都是骗局，那么如何理解这个现象呢，明天我们来讲讲什么是真正的量子科学。
比如你听到反对量子信息的（文章），总会有这样的。 第一篇是你经常听到的一个非常神奇的文章标题，说“我们的认知再次崩溃了，我们所知道的世界可能根本不存在”。
著名生物学家施一公教授表示，这实际上是诽谤。 施一公从来没有说过这句话。 一首，施一公已经辟谣了。
事后所谓的《扫清谎言和轻罪，迫使潘建伟教授走出迷途》的作者是上海化学大学退休班主任王国文。 这个王国文几年来一直在批评潘建伟，在他眼里，潘建伟所做的一切都是伪科学，而这种人也引起了舆论的极大混乱。
去年下半年，央视焦点访谈记者也来问我，说他们收集了市面上很多所谓的量子保健品，叫什么量子美容喷雾，还有哪些各种量子美容舱。 这种东西是假的，我说都是假的，量子不是用来做这些民用技术的，那什么样的才是真正的量子技术呢？
我可以告诉大家一个好消息，那就是中国科学技术出版社即将出版我的书，叫《量子信息简报》，这本书是给大家系统介绍量子信息领域，通过阅读这本书你可以完全回答常见的量子信息问题，而且你会知道所有的原理，所以你应该尽快看到我的书。
所以最基本的问题是，量子到底是什么？ 因为它叫“子”吧？ 很多人立即认为量子应该是粒子。 大家通常都知道电子、质子、中子、中微子等都是粒子。 他们的第一反应是问量子是什么类型的粒子。 与那些电子、质子、中子、中微子相比，它是大还是小？ 最基本的答案是，这个问题本身就是错误的。 这个量子根本不是这个意思。 量子不是粒子。 正确的理解是什么？
量子是离散变化的最小单位，这是它的精确定义。
什么叫离散变化？ 最典型的表现就是像右图，就是走上台阶。 上台阶的特点就是可以上一级、两级、三级，不能上半级吧？ 走上半步就摔倒了，那你就进诊所了吧？ 我们平时数未来人数的时候也是如此。 你可以数一个人、两个人、三个人，不可能有半个人吧？ 这些称为离散变化。
那么对于这些离散的变化来说，变化最小的网格就是一个量子，所以对于上升一步来说，一步就是一个量子，对于人数来说，一个人就是一个量子。
因此，当我们谈论量子这个词时，我们必须说它指的是某物的量子。 例如，光子是一个光量子，也就是说我们通常看到的一束光，是由很多光量子组成的。 光的量是一个光子。 此后，电子首次在阴极射线中被发现。 例如，我们看下面的图片。 19世纪末，约瑟夫·约翰·汤姆森（John）首先发现电子当时以阴极射线的形式出现，这样一束射线从阴极射出，你可以用磁铁将它偏转，这表明它带负电。
现在我们知道阴极射线好像是电子数，是由1个电子组成的，可以有1个电子，2个电子，不能有半个电子，所以电子就是阴极射线的电子，阴极射线的量子，所以请记住，每当我们提到量子时，它一定是指某物的量子，并且不存在称为量子的特定粒子，所以你不可能问量子与电子有何关系、质子和中子。 无论大小，这个问题本身就是错误的。
那么在微观世界中，有一大类现象，它们都是量子化的，也就是说它们是离散变化的，也就是不连续变化的。 例如，氢原子的基态是世界上最小的原子。 它只有一个电子，那么这个电子，它能够出现的能量是离散的，比如最低的能量是-13.6eV，图中的单位是eV，eV是什么意思，它是-伏特，它是电子伏特，它是一个当前标准1的最低能量单位是-13.6eV。在上一节中，第二个是-3.4。 负3.4是怎么来的？ 是-13.6乘以4，即乘以2的平方，下一位乘以3的平方，最后一位乘以4的平方，即第n次能量是-13.6eV乘以n的平方量子物理学理论是谁提出的，它不是等宽的，确实是离散的，也就是说，你可以在这里面取n从1到任何值，并且中间不会有能量，例如，你不会出现-11eV吧？ 所以对于这些不连续的变化，我们称之为量化。
因此，这个微观世界的本质特征之一就是许多化学量都是量子化的，于是就有了一整套庞大的基础数学学科，叫做量子热，它最早出现在1900年。是谁（提出的）？
右边这个人就是普朗克，日本化学家普朗克，1900年第一个提出量子热。他第一个发现了一种叫做Arial辐射的化学现象。 这个Arial辐射其实就是，现在我知道它是发射光子，也就是发射电磁波，而且上面的能量一定要一一分配，不是说要花多少钱，而是说它可以只发出一个、两个、三个，并不能这是一个突破性的发现，所以在1900年普朗克首先提出了量子热，后来很多科学家都对量子热做出了贡献。 到了20世纪30年代，量子热的理论框架基本完善。
有人为此做出贡献吗？ 因量子热获得诺贝尔奖的人有很多，如爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克、玻恩、泡利等。
后来量子热出现之后，你把牛顿热之前我们熟悉的热叫做经典热，现在叫做经典热，所以量子现在更多的是一个形容词，经典也是一个形容词。 我们用量子和经典就像一对，它们是对比的，即使你说某种现象是经典，某种现象是量子，那么一定是量子比经典好，量子是对的，而经典是错误的，如果这两者的推论不同，那一定是量子热是对的，经典热是错误的，而且都在经典热的应用范围之内，即低速运动的宏观物体。 量子热的推导与经典热相同，也就是说，经典热相当于量子热的一种特例，也就是说，量子热的应用范围比经典热要广得多。
我们后来谈到，首先获得量子热诺贝尔奖的人，其中之一就是爱因斯坦。 大家都知道爱因斯坦最伟大的成就是提出了相对论，但是爱因斯坦获得诺贝尔奖确实是因为量子热，而不是因为相对论，这是一个非常神奇的事情，因为诺贝尔奖评选委员会，他们特别不喜欢相对论，他们还不相信相对论，所以他们宁愿把它送给爱因量子热的爱因斯坦获得诺贝尔奖。
所以其实相对论和量子热是当今数学的两大理论。 它们是当今数学的两大支柱。 其实这是一种很特殊的情况，就是为什么会有两种理论，如果是最基本的理论，不应该只有一种吗？
所以这其实是一个很严重的问题，也就是说量子热量和相对论，这两者还没有整合起来，应该有一个更基础的理论来整合这两者，这是我们目前努力的方向，但是现在呢还没做到，这是数学的前沿，那么我们来对比一下，相对论和量子热，它们的地位如何？
大家都知道相对论，它主要是爱因斯坦一个人提出来的，所以一提到相对论，你就会想到量子热力学和爱因斯坦，但是你认为量子热力学的创造者是谁呢？ 很难说，因为涉及的人太多了。
一旦这么多人知道了量子热这个话题，潜意识里的问题就是量子热能用来做什么？ 其实这个问题问得不好。 更值得问的是它不能用来做什么？ 由于它能做的事情太多了，你几乎找不到它不能做的事情。
相反，你可以问相对论能用来做什么，因为相对论能做的事情并不多。 比如宇宙学需要相对论，对吧？ 大爆燃的理论，像黑洞这样的东西，然后是重元素，它的物理学会用相对论，因为重元素层中的电子跑得非常快，接近光速。
之后还有一个，我终于找到了。 日常生活中利用相对论的卫星导航系统称为GPS北斗。 它需要使用相对论，因为它的卫星运行得非常快。 这就是狭义相对论的出现。 同时，卫星距离地面较远，卫星内部受到的重力低于地面，这会形成广义相对论效应。 需要考虑这两种影响。 还清吧，不然导航不准，但是数呀数，那都是日常生活中的事，还有量子热，你日常生活中无时无刻都在用它，我告诉你，即使你用的是电，任何家电，你已经用了量子热，所以量子和相对论两个领域是完全不同的。
那么我们来解释一下，一些最基本的问题只有在有了量子热之后才能得到解答。 例如，最基本的问题之一是原子的稳定性。 我们都知道原子是由电子和原子核组成的。 到核？ 因为它是被原子核的静电吸引的，对吧？ 为什么不掉下来？ 如果是经典热学，那么它肯定会坠落，结果就是原子的塌陷，所以最基本的问题是，为什么我们还能稳定存在，对吧？
为什么原子仍然稳定存在？ 这就是量子热的答案，也就是说，由于原子中电子的基态，存在一个量子化的最小值。 您等待哪个最小值？ 例如，对于氢原子，它是-13.6eV，并且不能再低了。 如果电子落在原子核上，它就会变成负无穷大，对吗？ 这个比最低的低，所以不能掉下来，这就是原子稳定性的答案。
下一个问题是为什么原子会再次结合成分子？ 这似乎是物理学的基本问题。 答案是分子的基态也被量子化，分子的能量也被量子化。 另外，它更低，而且会释放能量，所以有利于它们产生分子，这就回答了物理学的基本原理。
接下来的问题是大多数人都没有想到的。 为什么物质有韧性，也就是说世界上为什么会有固体，对吗？ 比如说这块砖，或者这块钢，为什么它是硬的呢？ 这个问题其实相当于说这些原子距离太近了，为什么它们会推开而不是落到一起，对吧？
这个问题的答案是，因为有一种粒子叫做费米子，例如，电子就是费米子，与费米子相反，它被称为玻璃骰子。 费米和玻色是两位著名的化学家。 费米子的特点是它们必须满足泡利不相容原理，如果它们之间靠得太近，它们就会互相推开，也就是说它们不能陷入同一个状态。
如果你把两个电子靠得很近，它们就会形成很强的电阻，防止它们陷入同一个状态，对吗？ 这就解释了为什么世界上有固体。
接下来的问题是我们日常生活中每时每刻都在使用它，这就是导电性。 为什么有些物质会导电？ 例如，铜和铝都导电，对吗？ 他们是非常好的导体。 有些物质不导电，例如木材和塑料不导电。 后来我们会发现，有些物质是半导体，比如硅、锗，有些物质是超导体，比如有些材料在高温下。 金属，这种问题是传统理论完全无法解释的。
如果你问一位19世纪的化学家为什么有些物质导电而有些不导电，他能给你的最好答案是这些导电物质上的电子是自由的，不导电。 电子在材料上不是自由的。 其实我们在学校、高中学到的传导理论就是这样的。 所谓自由电子论吧？
但仔细想想，这真的是一种解释吗？ 其实它什么也没解释，只是同意重复一遍，因为它只是告诉你，如果你能导电，你就称它为自由电子，如果你不能导电，你就称它为非电子。 -自由电子。
那你得问他你能预测吗？ 你能告诉我为什么铜和铝上的电子是自由的，而木材和塑料上的电子不是自由的。 答案是根本无法预测，所以这个理论只是一个文字游戏。 只有当有了量子热科学之后，我们才发展出一套全新的理论，叫做能带理论、能量能量、领结带、条带带。 这种能带理论使您能够估计并准确预测哪些物质导电，哪些物质不导电。
我们还能发明新物质，比如半导体和超导体吗？ 那么，量子热不仅可以解释现实世界中已经存在的现象，还可以发明一些新的器件，比如激光器、发光晶体管等？ 它们也经常被使用。 比如我现在就用这个激光笔。 这就是量子热理论，可以通过量子力学的效应产生。 如果没有量子热理论，你根本无法理解激光现象。
因此，现代社会的一切科技成就都离不开量子热。 那么如果你想问，量子热有什么用处，对吧？ 这是一个很外行的问题，说明你对量子热一定一无所知。 如果你对量子热有一点了解，你肯定不会问这些问题。
现在你对量子有了一点了解，你会发现它已经出现了100多年，1900年就被提出了。它根本不是什么新鲜事物，不是吗？ 那么为什么它现在突然变得如此流行呢？ 答案是，这个新兴的东西叫做量子信息，它是一门跨学科的学科。 20世纪80年代以来，量子热科学与信息科学交叉形成一门新学科，称为量子信息。 量子信息有什么作用？ 它利用量子力学的框架来做传统信息科学做不到的事情。
例如，什么？ 例如，有一种最令人惊讶的技术，叫做隐形传送。 比如很多悬疑系列，比如《星际迷航》，其核心技术就叫隐形传态。 随着一声“biu”的一声，一个人从这里传送到了那里。 这东西叫做瞬移，这东西是真正的科技。 在量子信息方面，它确实有这个技术，叫量子隐形传态。 传送曾经是纯粹的幻想，而现在传送却是真正的技术。 好吧，我们之前会详细解释量子隐形传态。
所以大家可以看到，量子信息确实是一个非常神奇的学科，很多以前完全想象不到、不可能做到的事情在它上面都可以实现。
这种特定的量子信息包括什么？ 大家可以想一想，我们平时都用什么信息技术呢？ 最常用的是手机吧？ 手机是用来通讯的，然后还有电脑，是用来估算的。 之后，我们平时使用的尺子、温度计、时钟之类的东西也可以算作信息技术。 它们用于测试。 正确的？
相应地，量子信息也包括量子通信、量子估计和量子精密探测这三大部分。
之后，这三大块分别包含一些具体的技术。 例如，量子通信包括量子密码学和量子隐形传态。 这个量子隐形传态，就是我昨天提到的隐形传态技术。 量子估计包括量子激励的分解，或者说量子搜索，然后是量子精密探测，包括原子钟和量子雷达等，我们把这三部分分别解释一下。
这三个块中，最容易理解的就是量子精密探测，因为你不需要了解它的原理，你只需要了解一件事，那就是通过这些量子热技术，我们可以做出个体的数学量，测量比以前准确很多，你提高了检测精度，你其实可以做很多以前做不到的事情，对吧？ 这是显而易见的，所以这个东西是最容易理解的。
我们举几个反例。 比如有一种新技术叫“雾中见花”，这是他们自己的名字，“雾中见花”，本质上是单光子成像。 就是说以前的成像，比如我们现在用的相机经常用的是CCD，它用的是光电探测器，就是你现在用的那种手机，它的成像原理可能就是CCD，这个光电探测器对于探测器来说，需要接收大约 10 亿个光子才能创建一个像素。 现在潘建伟教授和徐飞虎院士已经有了很大的进步。 他们发明了这些单光子成像仪器。 你只需要一两个光子就可以形成一个像素。 8.2公里外，识别一个人的姿势，这个人其实是一个人偶，拿出来一个木偶，大致可以看到，里面的图片是一个人右手举起来，下图是两个人一只手放下来一起来，对吧？
你看中间的图就可以了，对吧？ 你可以看到它非常接近，对吧？ 这是8.2公里远。 那么右图相隔45公里。 此后，仍处于雾霾天气。 看看北京的闵行航空大厦。 如果你用传统像素看它，你能看到什么？ 你什么也看不见，只是有雾，对吧？ 而如果用这些单光子成像的话，还是可以马马虎虎，还是可以看到一个轮廓，然后就可以确定，这就是奉贤航空大厦。
所以人们称之为雾里看花，即是即使在雾霾天离得很远，也能看到一个大概的轮廓。
那么下一个就是量子雷达。 其实，当你看到量子雷达这个词的时候，你一定会很兴奋吧？ 很多人会觉得第一个问题是这个东西能不能用来探测隐形客机。 我可以告诉大家，虽然量子雷达有很多种，但据我了解，研究量子雷达的单位有很多公司。 他们不同单位研究的量子雷达原理不同，我熟悉的量子雷达是用来探测大气风场的，也就是说探测我们大气层上方的每一个点。 如果不下雨，风在哪里吹，风速是多少？ 这称为大气风场。
这是谁做的？ 该研究由窦贤康教授、潘建伟教授和张强院士共同完成。 这是利用雷达来探测大气风场，这是已经存在的传统技术。 而传统技术形成的难点在哪里？ 最大的困难来自于太阳，因为太阳会形成巨大的干扰。 之后是受太阳干扰最少的波段部分，虽然是红外波段，但因为太阳发出的是可见光不是吗？ 太阳光的红外部分硬度较低，但麻烦出在探测器上。 我们的红外探测器性能比较差，所以窦贤康、潘建伟、张强所做的改进是他们开发了单光子变频技术。 ，就是你发出来的是红外光，当你接收回来的时候，你利用变频技术将红外光转换成863纳米的光。 之后这个光就比较容易被检测到了，所以你可以用这个大大提高那种检测的效率，这样就可以大大提高检测的效率，所以最终的结果就是把检测距离从原来的2.6调整过来公里到8公里，这是非常大的，非常重大的，无论是军事价值还是民用价值，都是非常重大的。
然后下一个，这个是潘建伟和徐飞虎做的，他们把它命名为“穿墙看”。 墙，你实际上不能看它，对吗？ 那种墙挡住了它，现在你可以把这面墙当作反射全身镜，实际上可以接收任何物体的信息。 想想看，这是多么奇妙的事情啊。 传统上，为什么我们不能把这面墙当作全身镜来看看这个东西呢？ 由于这面墙是漫反射的，也就是说，如果你把一束光照射到它上面，光会反射到哪里呢？ 但它可以向任一方向反射。
如果是全身镜的话，全身镜会产生镜面反射，对吗？ 入射角等于出射角，所以你会形成一个非常清晰的图像，如果是一面墙，它可以反射，可以向任何方向走，而每个方向的硬度都很弱，所以你通常无法形成图像。 而且它们有非常灵敏的光接收技术，也就是单光子成像技术，所以它们可以利用漫反射，三倍的漫反射，然后返回一些光子。 您可以使用返回光子的这一小部分来创建物体的图像。 这回多少钱了？ 他们说你一次发射了 460 亿个光子，然后其中 674 个光子通过三次漫反射返回，你捕获了其中的 674 个。 想想损失率有多高。 正确的？ 你的生存率是十亿分之一，对吧？ 你还是抓住了它，然后你用674个光子，反转之后，你就可以构建这个物体的图像。
看这边的图，里面最右边的一个是两个娃娃，里面的一个是一个举起右手的人，倒数第二个就是第四帧的那个，所以你可以粗略地看一下看，一个A人举起右手，然后下面的这个是一个H的形状，你看一下，大致是一个H的形状，所以可以判断，几乎是一样的。
好啦，量子精密探测，这个谁都能看懂，虽然你根本不懂量子热的原理，但是你能看懂，就很有用了，对吧？ 之后，对于前面的数量估计和量子通信，如果你想了解它们是做什么的，那就比较困难了，必须了解量子热的原理。
那么下面我们就来谈谈量子热的原理，而每当我们谈到量子热的原理时，首先需要克服的就是一个心理上的困难。 很多人一听到量子热就害怕，因为这样的事情他们听过很多。 比如说“力不从心”吧？ 不要自己去学量子热，量力而行，这就是量子热，随机过程就是随机的，就是这样的笑话吧？
所以他们在学习之前腿就已经软了。 他们觉得学习很着急吧？ 那么在他们的印象中，量子热就是一套难以理解的形而上学吧？ 我们首先要破除的就是这些迷信量子物理学理论是谁提出的，就是不要取笑自己。 量子热不是形而上学。 这个道理是非常清楚的。 就正确理解而言，量子热是一套清晰的物理框架，就像微观世界的运行手册一样。 物理框架最大的特点就是特别准确。 很多人认为，因为他们都说有一个词叫测不准原理，对吧？
所以他们认为量子热中的一切都是模糊的，你无法确定它。 相反，量子热是一个极其精确的理论。 例如，我们最近有一个案例，量子热中有一个非常重要的常数，称为精细结构常数，我们经常使用α来表示它。 精细常数是什么意思？ 它是氢原子的电子速度与光速的比值，所以你可以计算出它大约是1/137。
然后在最新的实验中，一群美国人在去年年底测试了精细结构常数，他们测得它是万亿分之81。 他们测得的精细结构常数的推导约为137.±11，最后两位数字加减11，之后一直到这么多位，与理论值一致。
所以这就意味着量子热似乎是最精确的理论，而我们所见过的最精确的测试结果都是由量子热做出来的，所以量子热一点也不可怕，它是一个极其精确的理论，并且有全世界数百万熟悉这些操作说明的科技人员。 至少全世界数学、物理专业的中学生都学过量子力学，所以量子热并没有什么可怕的。 你必须学习理解它就完全没问题了。