当年高考作文没考好，于是我去搞了量子物理？| 尹璋琦_

2022年11月13日，由中共北京市朝阳区委组织部、北京市朝阳区科学技术协会主办，果壳承办的“朝阳科学荟”活动成功举办。北京理工大学物理学院教授尹璋琦带来演讲：《从记忆移植，到量子纠缠》。

大家好，我叫尹璋琦，来自北京理工大学。今天我想讲的是《从记忆移植，到量子纠缠》，这个题目有点生物和量子物理的交叉。

我们知道，最早把生物和量子结合起来的是大物理学家薛定谔。他在1935年时，提出了特别有名的悖论，叫做“薛定谔的猫”。

“薛定谔的猫”是什么呢？

薛定谔想把一只小猫咪放到一个黑盒子里，盒子里面除了有猫，还有一瓶毒药、一个铁锤，一个放射性物质。在一段时间内，这个放射性物质可能会处于放射，或者不放射的量子叠加态。一旦它放射出射线后，就会被黑盒子里的探测器接收到，并控制盒子里的铁锤，紧接着铁锤敲碎毒药瓶子，猫就死了。反之，如果没有放射的话，猫就是活着的。

snl.no, Av Dhatfield / CC BY 3.0（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0）

如果没有打开盒子，根据量子力学，这只猫就会处于生和死的量子叠加态，只有打开盒子的瞬间，我们才知道到底猫是生，还是死。就是关于薛定谔的猫的悖论，从1935年争论到现在。

之后的物理学家们为此提了很多想法。比如，多世界理论，说的是当打开盒子的瞬间，世界可能会分成两个平行世界，其中一个世界的猫受到辐射的影响，另一个世界则没有发生辐射，猫是活的状态。问题是，我们还是不知道猫到底是活还是死，每打开一次盒子，都会把世界分成两个。如果打开很多次盒子，那我们的世界就会分裂成无数多个。

还有人提出来说，如果我们自己就是那只猫呢？设想自己来玩“薛定谔的猫”的游戏，结果你会发现自己在观察自己，就让自己不断处于一个活着的状态，这被称为“量子永生”。

学问做到这已经有点不可思议了，但是实际上还有更不可思议的事情。1961年时，薛定谔的好朋友，魏格纳——量子力学当时的创始人之一，也拿过诺贝尔物理奖，在学术生涯晚期时，他开始研究量子力学的诠释和哲学问题，写了一篇文章叫做《试论心物问题》。文章里面他提出了名为“魏格纳的朋友”的假想实验。

魏格纳的假想实验说的是，当他去做薛定谔猫的实验，将自己关在实验室，然后外边有个朋友通过电话联系魏格纳说：你这个实验做完了吗？猫是不是已经确定状态了？魏格纳说是的。注意，此时猫的“生死”已经确定。但是，根据量子力学的可逆效应，站在门外的魏格纳的朋友，可以施加量子逆转，门里的猫的生死就可以翻转，同时，魏格纳本人所认为的“猫的生与死”的意识也有可能被翻转。

当探讨到这一步的时候，把生物和量子结合似乎已经走到绝路了，纯粹哲学的探讨也似乎已经到头了。但实际上，量子力学最核心的应用其实是在物质科学中，并且体现在我们的生活中。

什么是量子力学的应用？比如原子弹、氢弹，这种可以扭转情势的大规模杀伤性武器。此外，量子力学也应用在工业上面，比如信息科技、半导体技术、激光、光通信等一系列技术，组成了现今的移动互联网、计算机等等。甚至金融科技中的物质基础也是量子力学的应用之一，因为它使用了芯片、半导体技术。可以说，过去的一百年是量子物理、量子力学极为成功的一个世纪。

今年10月份的诺贝尔物理奖，就是颁给研究量子力学基本问题的三位科学家，奖励他们持续地对“贝尔不等式”实验、研究，以及对量子信息科学的研究。

|2022年诺贝尔物理奖 | www.nobelprize.org

贝尔不等式其实提出得特别早。起因是，1935年由爱因斯坦等三位学者提出了叫做“EPR佯谬”的理想实验，首次给出所谓“量子纠缠”的例子。实验中有一个纠缠光子源，发出了一对纠缠光子，到远处的检测器1和检测器2。这两个检测器在相隔很远的地方，通过测量光子们的状态，我们会发现光子1和2之间，是关联的，而且是超越时空的关联。这就跟爱因斯坦的狭义相对论冲突了，所以把量子纠缠称做“非定域性”的特性，听起来特别神秘。

爱因斯坦认为这种冲突是因为量子力学尚不完备，所以到了1964年，科学家贝尔提出了贝尔不等式的概念，说的是通过实验测量，如果实验违背贝尔不等式，就证明量子力学确实具有超空间的关联。大概从1970年代到2015年，近四、五十年的时间，贝尔不等式才得到最终验证。

贝尔不等式这样的研究，确定了量子力学一些最基本的特性，但是这些特性是只存在于量子世界中吗？量子世界和经典世界的边界到底在哪里？这就要涉及到宏观的量子叠加态研究了。其实许多科学家都试图研究宏观的量子效应，比如光的双缝干涉研究，科学家们从原子到电子，再到分子，甚至到近年更复杂的大分子，都试过了，而且都能看到类似物质波的干涉，这是宏观的干涉效应。

宏观系统下的量子效应不光是科学家感兴趣，各种影视作品中也有展现。

电影《蚁人2》中，蚁人乘坐飞行器把自己缩小，在缩小到量子区域前，镜头会给到飞行器外面的一些奇怪的生物。这些生物看上去很凶猛，实际上这是水熊虫，也就50个微米大小。镜头语言暗示我们的是，其实水熊虫就是量子世界和经典世界的边界所在，这其实也是一种生物体量子效应的研究了。

《蚁人2》剧照

有趣的是，最近真的有位欧洲学者说要把水熊虫放到低温真空中，在振子上做出水熊虫的量子叠加或量子纠缠态。我看了这则新闻播报的时间后觉得特别有趣，因为电影《蚁人2》也差不多在这前后上映的。是《蚁人2》的编剧看到这个想法，编了一个水熊虫，还是科学家看完《蚁人2》后决定把水熊虫做到量子叠加态、做到量子区域呢？

去年年底，新加坡的科学家还真的把水熊虫冷冻起来，放到超低温的超导电路中，这个超导电路的温度大概只有绝对零度以上，10毫开尔文度，然后在里面做了量子纠缠实验，让水熊虫作为电容的元件来完成实验。这个实验做完之后，水熊虫又被冷冻了20天后解冻，没想到解冻后的水熊虫完全恢复了生物活性，证明水熊虫的量子效应在未来可能实现，且是保持生物活性下完成。

这些生物的量子叠加态研究让我想起了当年的高考作文，1999年的高考作文题目是：《假如记忆可以移植》，当时我的作文写得不是太好，可能只拿了及格分，所以读书的这些年，一直对此耿耿于怀。为什么说量子研究会让我想到记忆移植呢？因为后来当我研究量子时，发现它可能和一个称为“量子隐性传态”的效应有关系。

左图：https://arxiv.org/abs/2112.07978；右图：《科学美国人》2018年7月：https://www.scientificamerican.com/article/how-does-the-quantum-world-cross-over/

隐性传态效应，指的是我们可以用非定域性的量子纠缠，也就是前面提的贝尔不等式所验证的量子纠缠，来实现相距很远的两地之间的信息传递，可以将一个未知的量子信息，从A传到B点。这个效应最近也有很大的发展，比如中国发射的量子卫星——墨子号，实现了星地之间的量子隐性传态，以及超过一千公里的量子密钥分发等等。未来甚至可能迎来全球量子网络的建设。

再说回生物的量子叠加态，人们在十多年前就开始研究，是否可以把病毒做到量子叠加态，即做出病毒的量子纠缠、量子叠加等效应。这些效应之所以成立，是因为人们觉得病毒特别顽强，在低温真空下还能够保证生物活性。

为什么要做病毒的量子叠加？首先，有趣的是因为它很像薛定谔的猫，是属于生物体的量子效应。其次，它可以用于研究生物的量子叠加，以及生物生化过程跟量子效应的互动作用。未来某一天，也许我们可以以它出发，将一个没有被冷冻、真正带有意识活动的生物体做到量子叠加，甚至做出意识体的量子叠加、量子纠缠。

当有意识的生物体量子叠加和量子纠缠做完后，原则上也可以实现生物体内部状态的量子隐性传态，或说，做出我心心念念的记忆的量子传输。

微生物量子叠加理论方案 | 尹璋琦供图， https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927316302171?via%3Dihub

我们在2016年跟合作者提出了一个想法，就是我们不光可以把病毒做到量子叠加态，还可以把更大的细菌、微生物，比如大约几个微米的细菌放到超导电路中某个薄膜的振子上。超导电路薄膜振子上的细菌可以被冷却到量子区域，由此做到量子叠加态。

如果能做完这个工作，我对当年的高考作文也就释怀了。虽然当时作文确实没写好，但没想到之后居然能研究怎么传输细菌的记忆。这个过程和想法，其实跟一部80年代有名的科幻片《星际迷航》有点关系。在科幻片中有个传输机器，能够把宇航员在星球表面和飞船上来回传输。现在看这个技术是科学幻想，根本不可能做到，但如果某天真的能够把生物体的记忆全都传输到远方的话，某种程度上也算是把生物体传输走了。

大家可以稍微展望一下，如果能将有意识的生物体进行量子叠加的设想，如果真的能实现的话，我们利用量子隐性传态、量子网络的技术，把生物体的意识结合在一块，是不是就可以把现在全球互联网进一步升级，成为量子互联网？甚至是否更进一步升级为量子网络，且是意识的量子网络呢？

在量子意识网络中，也许我们实现的不仅仅是元宇宙，还可以是“量子元宇宙”，指的是量子全球意识网络的宇宙。当然这样的技术还在研究中，不过我相信，在现在数字时代、数据时代的种种积累，在未来，如果真的要做出量子网络、全球量子网络，乃至于生物意识网络的话，我们也会当仁不让。

我们也希望，不光是朝阳区的学生，还有普通民众，都能够支持数字经济、数字技术，乃至未来的量子网络、量子技术方面的发展，谢谢大家！