薛定諤的貓、量子糾纏、和量子計算機


1927年索爾維會議,波爾、薛定諤、海森堡、迪拉克等都在

今天的高科技沒有一樣離得開量子力學。盡管量子力學在應用領域里是迄今為止最為成功的理論,但是從量子力學創立的那一天起,它的意義就一直在困擾著我們。量子力學取得的成就無可質疑,但直到今天人們還無法確認它的真實意義。因為它動搖了物理世界的嚴格的因果律,而稱隨機性是這個世界的基石。

量子力學的創立者中,波爾和愛因斯坦、薛定諤等人關于波函數概率解釋的爭論從未停止過。為了保住物理世界的嚴格的因果性,愛因斯坦提出了有名的光箱理想實驗。盡管該實驗被波爾用廣義相對論證明它并不成立。但愛因斯坦對物理世界的嚴格的因果性仍然確信不疑。

1935年,愛因斯坦和兩位同事提出了有名的EPR佯謬。EPR和以前的思想實驗不同,它可以被實驗驗證。波爾聞訊后,立即放下了手中的工作,全神貫注于EPR。很快,波爾就發現了EPR的問題,那就是他和愛因斯坦在量子力學思想基礎的矛盾之處,玻爾認為,在沒有觀測時,不存在一個客觀獨立的世界。于是,EPR不再是佯謬,它最多只說明了,根據愛因斯坦的定域實在論,量子力學不完備。而玻爾的量子實在觀里,量子力學是完備和自洽的。

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薛定諤的貓實驗

EPR提出后,薛定諤大喜。受EPR的啟發,他于1935年發表了一篇論文,文中他描述了那個有名的薛定諤貓實驗。按波函數的概率解釋,薛定諤的貓會處于不死不活的疊加態。薛定諤的貓同時是死的也是活的。這簡直就是天方夜譚,完全不符合常識。薛定諤的貓實驗讓量子效應進入了日常生活,而且是我們的寵物貓的死活問題。

按波爾的說法,不單單是貓,任何事物只要我們不去觀察,就處于不確定的疊加態。任何事物都不能免俗。有人這樣諷刺波爾一派:“只要我們不看月亮,它就不存在”。人們無法接受貓會處于不死不活的疊加態,因為這與我們的經驗相悖。要是用會說話的人代替貓,那又會發生什么呢?他也會處于不死不活的疊加態嗎?科學史上有很多的有名的奇怪生物,芝諾的的烏龜、麥克斯韋妖、愛因斯坦的孿生子、和這只薛定諤的貓就是其中最有名的幾個。薛定諤的貓是如此有名,甚至成了一首流行歌曲的歌名。

貝爾

1932年,偉大的馮·諾伊曼把量子力學嚴格地公理化了。但他犯了一個簡單錯誤,直到二十年后的1950年代,才被物理學家波姆發現。十年后,歐洲粒子研究中心的約翰?貝爾據此提出了一組簡單的數學不等式,史稱貝爾不等式。它能被實驗驗證,是數學美的典范。

1982年夏,法國物理學家阿斯派克的實驗小組,第一次在精確意義上對EPR作出了檢驗,實驗結果和波爾的量子力學預言完全符合,與愛因斯坦的預測差了5個標準差。貝爾推導不等式的初衷是捍衛愛因斯坦的定域實在論,沒想到反倒成了證明波爾理論的利器。在更精密的實驗中,人們進一步證明了量子力學的預言。阿斯派克的實驗是物理史上最有名的實驗之一,但其結果是意料之中的。因為,真實世界中,量子力學是有史以來最成功的理論,它的成功遠超相對論和電磁理論,甚至超越了牛頓力學。

EPR還指出了超光速的可能性,且與狹義相對論不矛盾,因為它沒有能量和信息的傳遞。這就是所謂的量子糾纏效應。建立在這一原理上的量子傳輸已經實現了。

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阿斯派克

基于量子糾纏現象,人們還提出了量子計算機的概念。今天的電腦,本質上都是圖靈機。它讀入數據,按算法處理數據,輸出結果。因為量子是糾纏的,量子計算機的十個量子比特記錄的不再是一個10位二進制數,而是2的10次方個二進制數。

1970年代就有人提出用量子比特來進行計算了。1982年,物理學家理費曼發現,用電腦模擬量子疊加時,計算量隨模擬對象的增加指數式增長,傳統電腦無法勝任。費曼指出,人們或許能反過來用量子過程來模擬計算。

1985年,德義奇用圖靈的方法,證明了普適量子計算機的可能性。德義奇還證明了,量子計算機無法超越算法,即它也是圖靈機。和傳統圖靈機不同,量子計算機是非決定性圖靈機。德義奇還證明了,量子計算機非常高效,其運算復雜性比傳統計算機低得多。量子糾纏是天然的并行計算。

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德義奇

量子計算機的并行機制讓它能同時處理多個計算。1994年,貝爾實驗室的彼得?肖提出了一種量子算法,把分解大數的難度從指數降到了多項式。1996年,貝爾實驗室的洛弗?格魯弗發現了一種數據庫的排序搜索算法。把傳統算法的復雜性降低了根號n次。量子算法有兩大優點:一是任何傳統算法,都有相應的量子算法;二是存在著傳統算法無法模擬的量子算法。因此,傳統算法必然會被量子算法取代。

最后說一句,我國在量子計算和量子通信領域里領先世界,潘建偉教授是該領域里的先驅者之一。

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