量子科技解讀系列之二：你真的明白量子力學(xué)么？

量子力學(xué)如何顛覆認(rèn)知：看看這三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)吧！

量子科技的根基其實(shí)就是量子力學(xué)，最經(jīng)典的“薛定諤的貓”可以說開啟了現(xiàn)代人對(duì)量子理論反常規(guī)的思辨風(fēng)潮，薛定諤沒有解決的問題隨著時(shí)間的推移，通過一些實(shí)驗(yàn)和理論的不斷完善，量子理論的說服力得到了飛躍的提升，當(dāng)然，更多的問題接踵而至，所以在面對(duì)量子理論時(shí)，放棄常識(shí)并抱著開放性的心態(tài)會(huì)更容易理解，接下來我們就通過三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，來更深入地了解量子力學(xué)吧。

實(shí)驗(yàn)一：電子雙縫干涉

對(duì)于經(jīng)典物理而言，粒子和波動(dòng)是兩個(gè)層次的東西，不能混為一談，而量子力學(xué)則認(rèn)為兩者密不可分，而雙縫衍射實(shí)驗(yàn)就是量子力學(xué)最有力的證明。

使用一個(gè)一次只能發(fā)射一個(gè)電子的裝置，對(duì)刻有兩條平行縫隙的擋板進(jìn)行發(fā)射，如果按常識(shí)來看，電子一定會(huì)穿過某一條縫隙，落在后面擋板的同一個(gè)位置上，這就是電子的粒子性質(zhì)，但如果你進(jìn)行多次測(cè)試就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它并不是每一次都落在同一個(gè)位置，而是散落在某一個(gè)位置周圍，這意味著這一個(gè)電子并不是只通過其中一條縫隙，而是同時(shí)通過這兩條縫隙并和自己產(chǎn)生干涉，這就呈現(xiàn)出電子的波的性質(zhì)。

雙縫干涉實(shí)驗(yàn)告訴我們的正是電子具備波粒二象性，它既是波，也是粒子，同時(shí)具備兩種屬性：當(dāng)我們進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，每一個(gè)電子只會(huì)落在某一個(gè)位置上，呈現(xiàn)出粒子的特性，但具體落在哪里又是個(gè)符合波性質(zhì)的概率問題，這就打破了“物質(zhì)世界具有連續(xù)性”這個(gè)常識(shí)：這只貓我早上看它的時(shí)候是一只貓，晚上看到它還是一只貓，所以理所當(dāng)然地就認(rèn)為在早上到中午我沒看到它的這段時(shí)間里它還是一只貓，但顯然這并不符合電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

事實(shí)上，對(duì)于雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中的電子而言，它處于量子場(chǎng)的影響中，在我們沒有觀測(cè)它的時(shí)候它是一個(gè)波函數(shù)，也就是描述一個(gè)電子一切概率分布信息的函數(shù)，它只能告訴我們電子在空間某一位置出現(xiàn)的概率，這與宏觀的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)有確定性明顯不同，量子世界是測(cè)不準(zhǔn)的，這也是為什么愛因斯坦會(huì)說出“上帝不擲骰子”的原因，而只有在我們觀測(cè)時(shí)，波函數(shù)才會(huì)坍縮成為一個(gè)粒子，出現(xiàn)在某一個(gè)具體的空間位置上。

實(shí)驗(yàn)二：量子擦除

那么，波函數(shù)的坍縮必須通過有意識(shí)的觀測(cè)么？第二個(gè)實(shí)驗(yàn)深化了這個(gè)問題，其實(shí)依然是雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，但不同點(diǎn)是用具備偏振性的光子替代了電子，并充分利用量子糾纏現(xiàn)象：在波函數(shù)描述多電子體系時(shí)，對(duì)一個(gè)電子的狀態(tài)的改變能夠牽扯到這個(gè)體系其他電子的狀態(tài)的改變，不管這兩個(gè)電子的距離相隔多遠(yuǎn)，這種作用關(guān)系被愛因斯坦稱作“幽靈般的超距作用”。

實(shí)驗(yàn)用的光子有水平、垂直、順時(shí)針、逆時(shí)針?biāo)姆N偏振態(tài)，光子發(fā)射器會(huì)發(fā)射一對(duì)處于糾纏態(tài)的光子：水平偏振的A和垂直偏振的B，其中A不通過雙縫就直接被1號(hào)偏振探測(cè)儀探測(cè)，而B則通過雙縫并被后方的2號(hào)偏振觀測(cè)儀觀測(cè)。

與此同時(shí)，在兩個(gè)縫隙上覆蓋不同的四分之一波長(zhǎng)片甲和乙，它的作用就是讓垂直偏振光B通過甲就轉(zhuǎn)換為順時(shí)針偏振，而通過乙則轉(zhuǎn)換為逆時(shí)針偏振，因?yàn)锳B處于糾纏態(tài)，B的變化通過A就能進(jìn)行觀測(cè)，從而得到B究竟是通過了哪一條縫隙。

而這個(gè)實(shí)驗(yàn)最“量子”的部分來了！當(dāng)我們打開1號(hào)偏振觀測(cè)儀對(duì)光子A進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，雙縫衍射的干涉條紋就消失了！關(guān)閉1號(hào)偏振觀測(cè)儀，也就是不觀測(cè)光子A的偏振態(tài)，干涉條紋就會(huì)重新出現(xiàn)。事實(shí)上1號(hào)偏振觀測(cè)儀的位置并沒有任何限制，就算放到宇宙另一端也并不影響，它的功能只是觀測(cè)與之處于糾纏態(tài)的光子B偏振性，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)最重要的結(jié)論就是量子場(chǎng)的坍縮的發(fā)生并不需要有意識(shí)的觀察者，而第三個(gè)實(shí)驗(yàn)則將這一理論更進(jìn)一步。

實(shí)驗(yàn)三：延時(shí)量子擦除

這個(gè)實(shí)驗(yàn)器材的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，簡(jiǎn)單來說就是實(shí)驗(yàn)二的“分光版”，如果只看圖中畫框位置那它就是實(shí)驗(yàn)二的布局。同時(shí)發(fā)射兩對(duì)處于糾纏態(tài)的光子，在保持實(shí)驗(yàn)二結(jié)構(gòu)的前提下增加四組探測(cè)儀（D1、D2、D3、D4）、三塊50%反射50%折射的半銀透鏡（BSa、BSb、BSc）和兩塊全反射玻璃（Ma、Mb）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論有2個(gè)，其一是如果D3檢測(cè)到光子即對(duì)應(yīng)圖中藍(lán)色光路的光子擊中了D0，D4檢測(cè)到光子則對(duì)應(yīng)于紅色光路光子擊中D0，從而得到實(shí)驗(yàn)二被擦除而無(wú)法得到的觀測(cè)數(shù)據(jù)，但此時(shí)D0上的干涉條紋會(huì)消失。第二個(gè)結(jié)論是D1和D2檢測(cè)到光子，因?yàn)檫@兩個(gè)探測(cè)器會(huì)同時(shí)接收藍(lán)色和紅色光子，因此依然無(wú)法得到D0的光路情況，觀測(cè)信息也相當(dāng)于被擦除，但干涉條紋可以復(fù)原。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于，D0與雙縫的距離只有D1、D2、D3、D4的一半，也就是說后四者的感光時(shí)間都在D0之后，也就是光子在通過雙縫之前就似乎已經(jīng)“決定”了是否會(huì)坍縮，而且這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在沒有觀測(cè)者、沒有觀測(cè)意識(shí)的前提下就導(dǎo)致了混合狀態(tài)的坍縮。難怪理查德·費(fèi)曼會(huì)在《費(fèi)曼物理學(xué)講義》里表示雙縫實(shí)驗(yàn)所展示出的量子現(xiàn)象絕不可能以任何經(jīng)典方式來解釋，它包含了量子力學(xué)的核心思想，透過雙縫實(shí)驗(yàn)，可以觀察到量子世界的奧秘。

遇事不決量子力學(xué)？謹(jǐn)防身邊的“量子陷阱”

從這三大實(shí)驗(yàn)可以看到，量子理論還存在著非常多懸而未決的“縫隙”，有的甚至上升到了哲學(xué)的領(lǐng)域……量子科技的落地主要還是集中在利用糾纏態(tài)的密鑰傳遞，以及利用疊加態(tài)的并行計(jì)算上，這兩點(diǎn)在我們此前的系列文章中已經(jīng)有過詳細(xì)的解讀，歡迎大家查閱。

事實(shí)上，量子概念已經(jīng)“火”了一段時(shí)間，但火的方法卻有點(diǎn)另類，在電商平臺(tái)以“量子”為關(guān)鍵詞，可以搜索到大量掛著“量子”旗號(hào)的養(yǎng)生用品，比如量子鞋墊、量子襪、量子內(nèi)衣、量子手環(huán)……在這里量子成了一種玄學(xué)加成，冥冥中為穿戴者施加增益效果。除此之外“量子波動(dòng)速讀”在去年也成了熱門話題，快速翻閱甚至蒙上眼睛，書本的內(nèi)容就能進(jìn)入大腦……顯然，這些概念無(wú)疑都是“掛羊頭賣狗肉”，所以量子的概念既有李鬼也有李逵，很有科普的必要性。

10月16日中央政治局就量子科技研究和應(yīng)用前景進(jìn)行的集體學(xué)習(xí)，讓量子科技真正走進(jìn)了普羅大眾的視線當(dāng)中，對(duì)普通人來說，量子理論是晦澀的（其實(shí)對(duì)非相關(guān)專業(yè)的人來說也很晦澀），它所實(shí)現(xiàn)的功能在目前來看也沒有明顯的感知性，也就是哪怕你已經(jīng)用上了新技術(shù)，但也絲毫沒有察覺。我國(guó)在量子科技領(lǐng)域雖然并沒有走到最前端，但考慮到目前整個(gè)行業(yè)都還沒有成型，再加上政策扶持力度較大，十四五計(jì)劃中也極有可能加入量子科技的相關(guān)內(nèi)容，所以在這個(gè)賽道，我們并沒有落后太多，仍有很大的追趕空間，未來值得期待。