遇事不決，真的可以來試試量子力學(xué)

本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：董唯元

God does not play dice with the universe.

—— 愛因斯坦

“遇事不決，量子力學(xué)”，這話說得好像量子力學(xué)是門拋硬幣的學(xué)問似的。而實(shí)際情況呢？呃…… 其實(shí)差不多還真是這樣。許多量子力學(xué)的神秘表現(xiàn)，都可以通過一個拋硬幣的場景來輔助理解認(rèn)識。

量子世界與經(jīng)典世界最顯著的差別，就是那些在經(jīng)典世界中非此即彼的不同狀態(tài)，在量子世界中卻變成了同一狀態(tài)的不同側(cè)面。就像在空中旋轉(zhuǎn)的硬幣，正面向上和背面向上的兩種狀態(tài)同時存在其中。或者更準(zhǔn)確地說，空中的硬幣其實(shí)處在“轉(zhuǎn)動態(tài)”，它由“正面態(tài)”和“背面態(tài)”疊加而成。

當(dāng)然，這個比喻也有不恰當(dāng)?shù)牡胤剑蔷褪恰稗D(zhuǎn)動態(tài)”的可見性。普通的硬幣即使尚未落地，我們?nèi)匀荒軌蚩匆娝诳罩行D(zhuǎn)的樣子。而量子系統(tǒng)的疊加態(tài)，則是一種不可見的對象。我們只能通過測量，迫使量子硬幣停止轉(zhuǎn)動，才能得到一個可見的結(jié)果。

為了讓這個比喻更恰當(dāng)，我們暫且把自己想象成只懂得前后左右，而不懂得上下的二維生物，這時我們就很難直觀地理解硬幣在三維空間中的翻滾運(yùn)動。不過，如果少掉的維度沒有影響我們的話，我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^實(shí)驗(yàn)觀察和邏輯推理建立起硬幣翻滾的理論模型。為了在數(shù)學(xué)上描述它，我們就需要使用一些額外的自由度，這就是量子力學(xué)中為什么總是出現(xiàn)虛數(shù) i 的原因。那些 i 所代表的，正是我們的感知無法觸及，只能邏輯推演的額外自由度。這些額外自由度如果還具備一些對稱性的話，在物理上就被稱為“規(guī)范自由度”。

有個很重要的規(guī)范自由度，就是量子態(tài)的“相位”，它刻畫著整個量子態(tài)隨時間的演化。這也非常像空中旋轉(zhuǎn)的硬幣，其空中姿態(tài)的不斷變化，恰好也是由轉(zhuǎn)動的相位來描述。

通過拋硬幣的比喻，我們不僅可以想象單個量子的演化，還可以進(jìn)一步理解量子之間的相互作用。具體而言，就是量子之間的糾纏關(guān)系。最極端的一種糾纏關(guān)系，就相當(dāng)于把兩個硬幣粘在一起。這樣它們雖然仍在不停轉(zhuǎn)動，但彼此之間的相對狀態(tài)卻變成了完全確定的樣子。其中一個正面向上的時候，另一個也總是正面或背面向上。不過糾纏關(guān)系有許多種，其中大部分并沒有這么絕對，而是稍有松動的粘連。其中一個硬幣正面向上時，另一個仍可以在一定范圍內(nèi)扭動。

這些或松散或牢固的糾纏關(guān)系，是因何建立起來的呢？原因就在于它們彼此之間的能量交換。物理上所說的相互作用，其實(shí)質(zhì)就是指能量交換的意思。而每一份從 A 傳遞到 B 的能量，本身也可以被看做是一個量子。所以在專業(yè)術(shù)語中，我們會看到“通過交換玻色子傳遞相互作用”這樣的說法。這些離開 A 前往 B 的能量包，不僅攜帶了 A 的能量，也同時攜帶著 A 的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。于是，當(dāng)能量包被 B 獲取之后，也就或多或少的影響了 B 的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。糾纏關(guān)系便這樣建立了起來。

借助上面這些圖像的輔助，我們現(xiàn)在就可以嘗試?yán)斫庖幌?，量子力學(xué)中被誤解最多的“量子測量”問題。在量子力學(xué)誕生之初，人們只知道量子態(tài)在被測量時會塌縮成經(jīng)典態(tài)，而且塌縮過程是瞬間完成的某種概率性選擇。似乎這個過程非常不講道理，甚至冥冥中透著股“精神決定物質(zhì)”的味道。

盡管量子力學(xué)已經(jīng)出現(xiàn)了一百多年，但至今仍然有人以為，薛定諤的貓是在被觀察的瞬間忽然塌縮成死或者活的狀態(tài)，只要不被觀察貓就處在既死又活的疊加態(tài)。于是一堆奇怪的問題就被隨即提了出來：

“如果是盲人在做實(shí)驗(yàn)，會影響貓的死活嗎？”

“如果貓自己觀察了自己，也算是物理測量嗎？”

“太空深處一塊從未被觀察過的石頭真實(shí)存在嗎？”

“宇宙是由于人類的觀察才成為現(xiàn)下的樣子的嗎？”

……

類似的問題在網(wǎng)上反復(fù)出現(xiàn)，其實(shí)量子力學(xué)根本沒有那么古怪。疊加態(tài)的消失，完全可以簡單地理解為轉(zhuǎn)動的硬幣落到了地面上，從而停止了轉(zhuǎn)動徹底變成經(jīng)典狀態(tài)。僅此而已。

可是為什么硬幣的轉(zhuǎn)動會停止呢？原因就在于測量這個動作使轉(zhuǎn)動的硬幣與我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備發(fā)生了相互作用，建立了糾纏關(guān)系。別忘了我們和實(shí)驗(yàn)設(shè)備都處在一個二維世界里，所以這些黏糊糊的糾纏關(guān)系也就把三維空間里轉(zhuǎn)動的硬幣生生地拉平，最終老老實(shí)實(shí)地躺著我們這個二維世界里，變成了純粹的經(jīng)典態(tài)。

從此我們知道，粒子從疊加態(tài)退化成經(jīng)典態(tài)的過程，并不是無厘頭的瞬間塌縮，而是需要經(jīng)歷一個弛豫時間的物理過程。只不過這個過程時間極短，我們無法感知罷了。而且，這個過程也與人的認(rèn)知意識無關(guān)，只要發(fā)生足夠多的能量交換，疊加態(tài)就會被環(huán)境拉平，退化成經(jīng)典態(tài)。明白了這一點(diǎn)之后，我們就不要再用容易引起誤解的“塌縮”來描述這個過程了，而應(yīng)該使用“退相干”這個詞。

另外，這個圖像還能幫我們理解其他一些量子力學(xué)中的特性。比如不確定性原理，無非就是把硬幣換成骰子，它的一些側(cè)面與另外一些側(cè)面相互垂直，所以當(dāng)其中一個側(cè)面被我們這個二維世界拉平的時候，其它與其垂直的側(cè)面對我們來說就變得徹底不可測量了。

最后需要特別說明的是，量子測量這個動作會改變被測量對象的狀態(tài)，這是身處二維世界的我們不得不面對的無奈。當(dāng)我們在量子計(jì)算機(jī)中使用量子比特記錄和處理信息時，就像在使用時刻轉(zhuǎn)動的硬幣，而不是躺平在地面上的經(jīng)典比特。此時，我們不能像使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)那樣隨便讀取比特中的信息。因?yàn)槊看巫x取都會不可避免地破壞硬幣的轉(zhuǎn)動，也就破壞了量子比特中的信息。

所謂的量子計(jì)算過程，是在不進(jìn)行測量的前提下，小心翼翼地對其轉(zhuǎn)動姿態(tài)進(jìn)行各種調(diào)整，即執(zhí)行算法。而最終的讀數(shù)，只能在所有計(jì)算過程結(jié)束之后一次性進(jìn)行。如果在過程中，某個量子比特不慎與環(huán)境發(fā)生了作用，就會出現(xiàn)退相干，量子信息就遭到了破壞。為了避免這種情況，研究者們不斷尋找各種辦法。工藝上的常見手段就是盡量降低環(huán)境溫度，這樣可以減少量子發(fā)射和吸收能量包的概率。同時在原理上，研究者也在尋找比較牢固的量子態(tài)作為信息載體，比如拓?fù)淞孔討B(tài)，可以在較高溫度時仍能保持自己的信息不被破壞。

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