哪些是世界上最伟大的感情？那就是量子纠缠！处于量子纠缠的两个物体，如同情人节一对深深相爱的恋人，彼此心灵相通，远在天边却时时牵挂并无形地连着彼此。除了这般，量子纠缠所带来的量子密码，如同恋人之间的心领神会的悄悄话一样…
出品："SELF格致论道讲堂"公众号（ID：）
以下内容为中国科大学数学研究所罗会仟讲演实录：
我明天讲的主题是量子，我带来了三套“玩具”，它们的原理都一样。
我们先做第一个实验。这是一个方形的轨道，这是一个条状材料，我们把条状材料放在液氮里泡一泡量子物理纠缠什么意思，之后把它放在轨道上。你们看，发生了哪些？没错，它漂浮在了轨道上。我推一下，它能够绕着轨道做运动。
下边我们做另外一个实验。这是一个吸铁石，这是一个环状物体。从表面看，这个环状物体并没有哪些非常之处，虽然它内部装有超导线圈。一般，在不接触吸铁石的情况下，我们是难以用这个环把吸铁石拎上去的。而且假如借助液氮的帮助，能够实现这一操作。
我们用液氮泡一泡这个环，让它降温。好，你们看，如今吸铁石早已被拎上去了，并且完全是悬空的，我们须要用很大力气就能将它拉出来。这或许就是量子的效应。量子实验在现实生活中很容易做，而且朋友们在家里不要随意玩这些吸铁石，由于它的吸力特别大，不留神都会把你的手夹断。
好，实验就做到这儿，我明天要分享的主题是“量子的感情”。你们都是小学生，还不能谈恋爱。但量子的感情不一样，下边我们就来讲一讲哪些是量子的感情，量子是如何谈恋爱的。
电子的排列组合
说到量子，怎么能够找到量子呢？似乎只要你的耳朵足够厉害，才能找到原子。把原子剖开后，上面是带正电的原子核和带负电的电子。电子绕着原子核转，不过电子的运动轨迹并不像行星运动轨迹那样有规律，电子是随意乱转的。
原子里有电子，而电子就是一个量子，原子核也是由好多量子组成的。我们常常说电子就是量子，所以假如可以操控电子，这么就可以操控好多量子现象。
为何电子是量子呢？电子除了带着负电荷，它还像一个小n极。生活中有好多磁现象，就是由于电子可以有序地排列。电子的排列呈两种状态：一个朝上，一个朝下，这在数学学里叫载流子。你也不晓得它朝上还是朝下，排列是很随机的。
好多人都以为电子长得像球，实际上，粒子长得都不太像球，像球的只有氢原子，粒子的形状都是乱七八糟的，有杠铃状，有梅花状，等等。假如把这种电子置于同一个原子里，你们晓得它们会呈哪些方式排布吗？会呈六面体的排布。
生活里有哪些材料是六面体结构的？对，盐。在一个有序排列的原子里，电子如何运动呢？没错，这时电子不能随意运动，由于它会碰到各类各样的制约，也就是我们常说的内阻。
打个形象的比喻：电子在高速路上奔跑，它碰到了各类各样的“收费站”，电子要停出来缴费，能量会遭到损失，运动的速率都会变慢，所以说，电子运动遭到了一定的制约，这就叫内阻。
看起来任何导体都有内阻，那有没有办法去除内阻呢？刚刚我们做实验时用到了液氮，液氮的主要作用就是让导体降温。虽然科学家们也做了好多相关猜想，以下是比较有代表性的三个猜想。
第一个猜想是开尔文作出。他觉得，气温回升后，电子会被冻住，内阻都会上升，这个猜想听上去似乎挺有道理的。
第二个猜想是马西森作出的。他觉得，内阻会随气温升高而降低，但有一部份内阻无法避开，总会存在，即使到了绝对零度，内阻还是存在。
第三个猜想是杜瓦作出的。他觉得，假若找到一个完美的材料，这么在绝对零度的情况下，这个材料的内阻会是零。
后来人们发觉这三个猜想都不太对。刚刚实验中用到的超导材料就证明，到了一定湿度以后，内阻都会降到零，内阻才会消失。内阻消失的现象又叫超导现象。
超导现象是化学学家卡末林·昂内斯发觉的。第一个发觉的超导材料是金属汞，当时卡末林·昂内斯将汞的气温降到了4.2K（约-268.8℃），测得其阻值几乎降为零。
内阻为零是哪些概念？假如大家晓得电磁感应的话，可以造一个电路圈，这时再加入一个磁场，就可以测出相应的感应电压，通过检测感应电压的变化就可以观察出磁场的变化。
假如在超导体中做这个实验，假定加一安培电压的话，你们猜一猜大约多长时间电压会衰减为零呢？
大约要一千亿年的时间。比宇宙的年纪还长。这就是神奇的超导现象，它可以维持如此长的时间。也就是说量子物理纠缠什么意思，它几乎可以做到毫无耗损地传输电能。
为何内阻会为零呢？让我们回到最开始的主题——量子感情。
一个带负电的电子在带正电的原子里运动，它会把一群带正电的原子给吸引过来。由于电子和原子的质量差异很大，当它把原子吸引过来之后，自己很快就离开了。这时又来了另外一个电子，这群原子都会将能量重新释放下来给第二个电子。
这样一来，这两个本来毫无关系的电子无形中就有了互相作用，产生了所谓的库伯电子对，它们再也不孤独了，它们“谈恋爱”了，这就是我们明天要讲的感情。
我之所以将这些感情比喻成“蕾丝边的感情”，是由于电子是阳性的，有点像两个女孩通过一群男人的介绍后，互相之间形成了感情。
实际上，材料中的电子有好多，并不只有两个电子。这种电子相距都很远，那假如有一群这样的电子都配成了对，会发生哪些情况呢？
那都会在整个材料范围内产生巨大的量子波。在超高温的情况下，这种成对的电子具有大小相等、方向相反的动量，于是可以无阻挠地在原子里运动，这样就没有内阻了。
假如你们很难理解的话，我可以再打一个形象的比喻。电子如同一只有缺陷的胡蜂，它只有一个翅膀，有的只有左翅膀，有的只有右翅膀，有缺陷的胡蜂自己飞不上去，必须抱团成对飞。
但是也不能乱飞，要朝着一个方向飞，必须成为电子对。电子对的距离可以十分特别远，但只要其中一个在动，另一个都会跟随动。
原子是有序排列的，电子虽然也是有序排列的，它们如同阅兵场上的士兵一样，脚步整齐。一群士兵过来了，另一群士兵又过来了，狭路相逢时如何办呢？就只能打械斗了。
假如我们将两个超导体拼在一起，中间用一个绝缘体将它们隔开，右侧超导体和左侧超导体中的电子互相不认识的，而且它们都很团结，这两群电子相互斗殴的时侯会形成两个光波，这叫双缝干涉。两群电子就会发生干涉，这叫夫琅禾费衍射。
我们看见，电子在空间上有强有弱地分布，并且是可以调节的，我们只须要稍为改变一点磁场，就可以改变它的形状，这么，我们就可以构造十分灵敏的量子侦测器。
电子绕约瑟夫森结一圈，可以正着绕，也可以反着绕，这样下来的磁场会一个朝上，一个朝下，这就是两个量子的叠加态。
量子计算机的应运而生
你们不要小看我刚刚讲的知识，那当然就是量子计算机的基本原理。这张相片拍摄的就是量子计算机。
假如构造出量子纠缠，就可以做量子估算了。量子估算十分厉害，特别快。诸位朋友晓得有多快吗？
用一栋楼这么大的计算机集群做某个运算，可能要算一万年，并且用量子计算机进行运算，只须要一秒钟！
不过，量子计算机虽好，建上去却十分难。就好比把两个超导体拼在一起很容易，而且把无数个超导体拼在一起就十分难了。
这是中国科学家作出的20量子比特的芯片，有了量子芯片，就可以做量子估算了。
前不久微软声称研发了一个由50多个量子比特组成的量子处理器。你们可能还感受不到这是哪些概念。
未来，50比特量子计算机假如真能建成的话，它将赶超现今所有的计算机，如今所有的计算机在它面前都是渣。它会顿时破解所有密码，那将十分可怕。
你们想像一下，假若将来真有这样的量子计算机，世界会弄成哪些样。更可怕的是，这个量子计算机不是人造下来的，是AI造下来的，所以好多人都害怕未来将是机器人统治人类的时代。
其实，真要建成一台这样的量子计算机十分困难。刚刚提及的电子计算机虽然持续的时间十分短，状态很容易都会被破坏掉。所以我们须要找寻一个更复杂的量子状态。
相片中的那位科学家好多人都不认识，他是一位南斯拉夫科学家，叫波戈留波夫。我们常常笑称他是专门棒打鸳鸯的。
哪些意思？刚刚讲了，要产生超导效应，电子必需要配成对。但若果给正在谈恋爱的一对电子加上磁场，加上水温，才能把它们给拆开。
一分两散的两个电子不会分成两个电子，而是分成两种不同的粒子，这些粒子就叫波戈留波夫粒子。
波戈留波夫粒子会分成一对费米子——马约拉纳费米子。
马约拉纳是个神秘的化学学家，二十多岁离家出走后就杳无音信。神秘的马约拉纳天生具有超前的数学思维，他预测有一种粒子的反粒子就是它自己。后来证明这些粒子是真实存在的，所以叫它马约拉纳费米子。
我们觉得这些粒子如同“天使和魔鬼的共存体”一样，要操纵一个既是天使又是魔鬼的东西十分困难，我们须要十分别致的材料，这个材料首先是超导体，里面还要再做一层拓扑绝缘体，将这三者结合上去后，才会形成神秘的马约拉纳费米子。
有了马约拉纳费米子后，量子芯片就不一样了，它深受了拓扑的保护，能够得到特别稳定的量子状态，只要不强行进行破坏，量子状态就永远存在。拓扑量子估算能够保证估算的精度，实现高精度操作的要求。
量子研究的未来
未来假如真的实现了量子元件的话，我们将迎来一个崭新的量子世界。你们不要认为量子世界离我们很遥远，实际上它离我们十分近。
微软建成了量子计算机，人们也能通过量子模拟器体验量子估算。中国早在几年前就提出了量子计划，计划在六年内建成中国的量子计算机。
现在两两年过去了，中国的量子技术发展取得了巨大进步。你们回想一下，第一台笔记本刚造下来的时侯有三层楼这么高，有一栋楼这么大。
但如今，我们手中的任何一台手机都比当时第一台计算机要厉害得多。这些快速的变化只用了短短二三六年的时间。
如今似乎都是科学家在研究量子估算，没准六年以后，我们的手机、电脑就都量子化了。待会儿一台量子手机就相当于现今的一台超级计算机。
而未来一切的实现都依赖于最初的开端：材料量子世界里一群电子形成的感情让我们有机会人为地进行操控，有机会建立未来的量子世界。
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