編者注：本文為讀者投稿，內容不代表本平臺觀點。量子力學博大精深，如果寫的不對的地方，請務必留言指出，以免誤導讀者，貽笑大方。
凝聚態物理學術QQ群：1083456536
量子，這個已經問世100多年的老概念，近年來開始走進大眾的視線中，并逐漸成為智商稅的頂級收割機。正所謂，遇事不決，量子力學。從量子力學、量子計算機、量子糾纏、量子通信、量子雷達、量子隱形、量子芯片到量子波動速讀、量子衣服、量子手機膜……不明就里的人，看的眼花繚亂，云里霧里。
早在1900年，在諾貝爾獎都還沒有問世的時候，德國物理學家普朗克就首次提出量子的概念，發起了對牛頓經典力學的挑戰，從此打開了量子力學的序幕。
量子，是指一個物理量最小的不可分割的基本單位。也就是說，量子本質上是一個單位。按照量子力學理論，能量、電荷、動量等等基礎的物理量都是不連續的，而這些不連續的物理量的最小基本單元就是量子。
從微觀的例子來說，光是由許多光子組成，而光子是不可再分的最小單元，因此，在光學體系中，光子就是一個量子，也可以稱為光量子。
從宏觀的例子來說，一杯水是由無數水滴組成，假設這些水滴是一個一個的，無法再分的最小單元，那么，這個水滴就可以視為一個“量子”。（當然，水滴本身肯定還是可以繼續再分的為水分子，氫原子和氧原子等等，這里只是做個假設哈。）
圖丨pixabay
從量子照明說起
2008年，一位自稱來自麻省理工學院（MIT）的量子力學工程師Seth Lloyd以唯一作者在Science發表了一篇論文，聲稱發明了一種創新的量子照明技術，可以極大提高量子雷達的靈敏度。這一技術有望用于隱形飛機的偵查，使隱形飛機無所遁形，一時間量子雷達被推向高潮。
然而，量子雷達的教父級人物，MIT的Jeffrey Shapiro教授，卻認為量子雷達技術的未來渺茫，實際應用存在很多幾乎無法解決的問題。即便有人已經宣稱發明了量子雷達，要么這個量子雷達并不能實際應用，要么就不是真正意義上的量子雷達。
對此，Science專欄作者Adrian Cho兩次撰文表示懷疑。一次是在2008年，Seth Lloyd發表量子照明的Science論文之后；另一次就是在十二年后的最近幾天。
人在夜里行走，總希望能得到更多光亮，看見黑暗中的東西。
檢測物體存在的常規方法是沿物體的方向照射光，并查看是否有反射回來的物體。如果物體很遠，則只有一小部分光會反射到檢測器。如果物體浸入噪聲和熱輻射中，則必須將反射的任何光線與嘈雜的背景區分開。
要確定看不見的地方是否有東西，常規的方法是沿物體的方向照射光，看看是否有光反射回來。如果物體很遠， 只會在其入射方向上反射一小部分光。如果物體周圍有很多噪音和輻射，就必須將反射的光線與背景噪音區分開。因此，必須發出足夠多的光子，才能確定來自特定方向的光子數量是否超過環境光子數量，才能判定是否有物體存在于探測區域。
圖丨Science
Lloyd認為，量子糾纏可以減少所需的光子數量。他假設光束中的光子一個接一個地發射，量子理論允許每個光子同時具有全部30種不同的頻率。光子一旦被測量，頻率之間就會隨機發生微妙的“疊加”。兩個光子可以“糾纏”在一起，從而每個光子處于不確定的分裂狀態，但它們的頻率鎖定在一起。
然后，將來自特定方向的光子與輔助光進行比較。如果檢測到的光子是來自光束，則其頻率和輔助光的頻率將相疊加。從背景噪音而來的光子只有1/30的機會被計入疊加中，因此背景光子更難偽裝成從光束中返回的光子。
依據這種理論，信噪比將隨糾纏量而定：糾纏對中每個光子所跨越的頻率越多，信號越強。如果未來使用一百萬或者更多的頻率，這種差異就可以確保僅僅通過檢測到的光子數量就可以判定到一個隱形物體的存在與否。
對此，實驗物理學家Torres認為，這很令人驚訝，他想知道糾纏是否真的有必要。理論物理家D'Ariano則認為，有很多事情還需要確認，但是這個想法很有希望。
讓隱形飛機無所遁形？
Lloyd的計算，為實驗人員帶來了新的方案。2015年，麻省理工學院的研究人員將光頻率下的量子照明信噪比提高了20％。其主要局限性在于，整個想法是在明亮的背景下檢測物體，但是在室溫下幾乎沒有光學背景，周圍環境不會明顯發光。因此，不得不使用人工背景光。
奧地利科學技術研究院的實驗物理學家Johannes Fink指出，在雷達工作的微波波段，情況有所不同。在室溫下，微波從所有物體（甚至空氣）中流出，人們對微波很感興趣，因為背景總是存在的。隱身技術通過抑制其在微波頻率下的反射率來隱藏軍用飛機，從而使周圍環境的光芒掩蓋飛機的反射。
量子照明似乎有望戰勝隱形技術，但是，很難通過實驗證實。
圖丨Science
物理學家可以使用Josephson參數轉換器Gizmo（而不是晶體）從單個脈沖中產生一對糾纏的微波脈沖，但是該設備只能在接近零的溫度下工作，這需要使用液氦冷卻的低溫恒溫器。
盡管如此， 2019年3月，Wilson等人證明了他們可以產生糾纏的微波，并使用它們來檢測同一低溫恒溫器中的物體?？柤永锎髮W物理學家Shabir Barzanjeh等人進行了類似的實驗，但是他們放大了信號脈沖并將其從低溫恒溫器中引出，以檢測室溫物體。
但是，要使該方案真正起作用，必須保留微波脈沖，直到反射的脈沖（或替換它的背景）返回為止。然后，使量子波發生干涉，一起測量兩個脈沖。但是，到目前為止，還沒有人這樣做。取而代之的是，他們立即測量了保留脈沖，隨后又測量了返回脈沖，這在實驗中消除了來自量子相關性的任何增益。
量子雷達，一場大夢？
Lloyd的計算依賴于高度理想的糾纏形式。本質上，糾纏相關性將使將背景光子誤認為是從目標反射的光子變得更加困難。
具有諷刺意味的是，盡管糾纏有助于通過背景噪音突顯檢測對象，但噪音卻消除了糾纏。沒有噪音，每對頻率將相加相同?；烊胱銐虻脑肼?，則總頻率隨機地在一對之間變化，這表明完全沒有糾纏。
對此，Lloyd解釋稱，在進行檢測時，進入系統中的任何糾纏都已完全消除。盡管如此，它還是有幫助的。
MIT的Jeffrey Shapiro教授也對這種酷炫的量子雷達技術進行了嘗試。他們用特殊晶體產生真實的糾纏光脈沖，該晶體可以將單個較高頻率的脈沖轉換為較低頻率的兩個糾纏脈沖。脈沖沒有確定數量的光子，并且像無線電靜態信號一樣“有噪聲”。但是由于糾纏，兩個脈沖中的噪聲高度相關。
研究人員將依賴糾纏脈沖的探測器的靈敏度與發出單脈沖激光的傳統探測器進行了比較。他們發現，量子效應將信噪比提高了四倍，但是比他們期望的要小。
這確實有些令人失望。
然而，即使實驗者可以克服技術上的障礙，在當今世界，量子雷達仍然具有幾個致命的弱點：
1）尋找到足夠強大的量子糾纏源。
2）實現非經典信號的調制。
3）實現非經典信號的監測。
這幾個技術，要么還未完全成熟，要么已經超越當前物理學的認知范疇，前景如何，著實堪憂。
未來何如？
或許，量子雷達探測隱形飛機等遠距離應用，最終只能成為一個遙遠的夢想。
又或許，量子雷達將為我們打開醫學等近距離應用世界的大門。
科學的世界，沒有不可能。
我們懷疑，同時也期待！
參考文獻：
1. Adrian Cho. The short, strange life of quantum radar. Science 2020, 369, 1556-1557.
https://science.sciencemag.org/content/369/6511/1556
2. Adrian Cho. Quantum Flashlight Pierces the Darkness With a Few Percent as Many Photons. Science 2008, 321, 1433-1443.
https://science.sciencemag.org/content/321/5895/1433.1
3. Seth Lloyd. Enhanced Sensitivity of Photodetection via Quantum Illumination. Science 2008, 321, 1463-1465.
https://science.sciencemag.org/content/321/5895/1463
