摸不透的量子力學(xué)

吳長(zhǎng)鋒

最近，一條關(guān)于量子計(jì)算機(jī)的新聞刷屏了，那就是我國(guó)量子計(jì)算機(jī)“九章”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快了100萬(wàn)億倍。

雖然生活中、新聞里經(jīng)常會(huì)聽(tīng)到“量子力學(xué)”這個(gè)詞，但很多人到現(xiàn)在都不清楚量子力學(xué)究竟是一門(mén)怎樣的學(xué)問(wèn)。

量子不是一個(gè)實(shí)體

一聽(tīng)到量子，很多人會(huì)以為它跟電子一樣是一個(gè)實(shí)體。其實(shí)，這個(gè)理解是錯(cuò)的。

量子這個(gè)概念最早由德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出。1900年，普朗克在研究“黑體輻射”的時(shí)候，提出了一個(gè)假說(shuō)：能量的傳輸不是連續(xù)的，而是“一份一份”的。普朗克把這一份一份的能量稱(chēng)為“能量子”，也被人們稱(chēng)為“量子”。

這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)顛覆性的概念，因?yàn)樵诮?jīng)典物理學(xué)里，人們一直認(rèn)為能量的傳輸是連續(xù)的，不存在最小單位。由于這個(gè)假說(shuō)太過(guò)于“叛逆”，簡(jiǎn)直顛覆了整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)，所以在該假設(shè)提出之后，普朗克一直試圖尋找各種方法來(lái)解釋輻射能量的不連續(xù)性現(xiàn)象，但最終都失敗了。

1905年，愛(ài)因斯坦在普朗克研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為光的傳播也是“一份一份”的，并且愛(ài)因斯坦給出了極其充分的數(shù)學(xué)證明，證明存在所謂的“光量子”。

在此之前，光作為一種波，已經(jīng)被人們廣為接受。在新的理論面前，光的波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)之爭(zhēng)以“光具有波粒二象性”的結(jié)論落下了帷幕。之后人們發(fā)現(xiàn)，不單單能量和光存在這種量子性，電子等其他微觀粒子也存在這種量子性。

量子力學(xué)最早就是研究為什么微觀粒子會(huì)呈現(xiàn)這種“既是波，又是粒子”的神奇現(xiàn)象。

量子力學(xué)就在我們身邊

那么，有人會(huì)問(wèn)：研究量子力學(xué)到底有什么用呢？其實(shí)你正從中受益。比如，生活中你每天都離不開(kāi)的電腦，它的出現(xiàn)首先要感謝的就是量子力學(xué)。正是得益于量子力學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域獲得的突破，美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究者尤金·瓦格納及其學(xué)生弗里德里?！と牟拍茉?930年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的性質(zhì)——可同時(shí)作為導(dǎo)體和絕緣體而存在。在晶體管上加電壓能實(shí)現(xiàn)門(mén)的功能，以控制管中電流的導(dǎo)通或阻斷，利用這個(gè)原理便能實(shí)現(xiàn)信息編碼，可以編寫(xiě)一種1和0的語(yǔ)言來(lái)操作它們。

可以說(shuō)，整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)基本都是在量子力學(xué)基礎(chǔ)上才得以構(gòu)建的，如果沒(méi)有量子力學(xué)，就不會(huì)有芯片、計(jì)算機(jī)，乃至我們當(dāng)前五花八門(mén)的電子產(chǎn)品?，F(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)所代表的信息科技，包括原子鐘、人工智能、5G、LED等，都跟量子力學(xué)脫不了關(guān)系，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的大多數(shù)成像工具和分析方法，如自旋磁共振、電子隧道顯微鏡等，基本也都是在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上才得以實(shí)現(xiàn)的。

展望未來(lái)，如果通用量子計(jì)算機(jī)得到廣泛應(yīng)用，那整個(gè)社會(huì)的方方面面都會(huì)受到影響。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦教授表示，醫(yī)療方面，我們生產(chǎn)新藥物的速度會(huì)大大提高，這是因?yàn)樾滤幹圃煨枰?jì)算機(jī)模擬哪個(gè)配方是最有效的，使用電子計(jì)算機(jī)模擬非常慢，但量子計(jì)算機(jī)很快就能計(jì)算出來(lái);人工智能方面，無(wú)人駕駛汽車(chē)傳感器如果使用量子技術(shù)，處理信息的反應(yīng)速度會(huì)更快，性能就會(huì)提高;農(nóng)業(yè)方面，可以利用量子計(jì)算機(jī)去研究光合作用，有科學(xué)家預(yù)言，如果這個(gè)應(yīng)用研究成功了，太陽(yáng)能的利用率會(huì)從現(xiàn)有的10%提高到20%-30%，農(nóng)業(yè)會(huì)出現(xiàn)跳躍式發(fā)展。

對(duì)量子力學(xué)的多種詮釋

雖然量子力學(xué)幾乎構(gòu)成了當(dāng)前包圍我們生活的各式各樣電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)科學(xué)理論，但量子力學(xué)對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，仍然是一個(gè)巨大的“黑箱”。

量子物理學(xué)中的一些現(xiàn)象看起來(lái)“毫無(wú)章法”，有的似乎完全說(shuō)不通。所以，物理學(xué)家就基于客觀存在的現(xiàn)象規(guī)律，通過(guò)數(shù)學(xué)工具提出了一些解釋?zhuān)瑏?lái)詮釋這些現(xiàn)象，試圖讓量子物理能“說(shuō)得通”。但是由于我們并不知道這些量子現(xiàn)象背后的原理，因此這些詮釋就有點(diǎn)像盲人摸象——對(duì)一個(gè)事物的描述存在多個(gè)版本，且都有缺陷。

量子力學(xué)告訴我們，不能再用位置這樣的物理量來(lái)描述電子、質(zhì)子等粒子。例如，電子沒(méi)有固定的位置。取而代之，我們用它們可能處于的位置來(lái)描述它們。為了表示電子處于某個(gè)位置的概率，物理學(xué)家引入了一個(gè)叫波函數(shù)的數(shù)學(xué)工具。電子的每一個(gè)可能的位置都被稱(chēng)為一個(gè)狀態(tài)，波函數(shù)給出了電子處于任意一種狀態(tài)的概率。

哥本哈根詮釋是量子力學(xué)的主流版本。它認(rèn)為，當(dāng)我們對(duì)波函數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，除了一個(gè)特定狀態(tài)的概率，其他所有狀態(tài)的概率都變?yōu)?，被測(cè)量到的狀態(tài)概率變?yōu)?。這確保了電子有一個(gè)固定的位置，而不存在于其他地方。這種一個(gè)特定狀態(tài)的概率變?yōu)?、其他概率都變?yōu)?的過(guò)程，被稱(chēng)為波函數(shù)坍縮。但是，我們無(wú)法知道波函數(shù)在哪里以及如何坍縮。波函數(shù)描述的每一個(gè)可能的位置，都有機(jī)會(huì)成為電子所處的特定位置。哥本哈根詮釋實(shí)際上只是對(duì)量子不確定原理這個(gè)現(xiàn)象所做的描述，并沒(méi)有實(shí)際探究這個(gè)原理。

多世界詮釋有點(diǎn)類(lèi)似科幻小說(shuō)中最喜歡使用的“平行宇宙”概念。該詮釋認(rèn)為，波函數(shù)對(duì)電子位置的其他預(yù)測(cè)不但沒(méi)有消失，而且還全部發(fā)生了，只不過(guò)它們都發(fā)生在彼此不相干的世界里。這聽(tīng)上去就像如果你在這個(gè)現(xiàn)實(shí)里做了什么糟糕的決定，別擔(dān)心，也許在另一個(gè)現(xiàn)實(shí)中，你仍然可以獲得一個(gè)完美的結(jié)果。但這種詮釋也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題——它讓概率失去了意義。

導(dǎo)航波詮釋比較復(fù)雜，簡(jiǎn)單說(shuō)，導(dǎo)航波詮釋認(rèn)為，用以表達(dá)量子力學(xué)的波函數(shù)是有實(shí)體的，是一個(gè)叫作導(dǎo)航波的真實(shí)的波。粒子只是導(dǎo)航波上的“頂點(diǎn)”，然后被導(dǎo)航波帶著走。導(dǎo)航波詮釋與哥本哈根詮釋最大的區(qū)別是，導(dǎo)航波認(rèn)為粒子的位置和軌跡是固定的，只是我們無(wú)法提前獲取，只能觀察到隨機(jī)化的結(jié)果。

為了解決多世界詮釋在概率上的問(wèn)題，一些科學(xué)家發(fā)展出了宇宙學(xué)詮釋。這種詮釋建立在永恒暴脹的背景下，它認(rèn)為，如果有無(wú)窮個(gè)宇宙，那么，多世界詮釋一定成立，因?yàn)橛袩o(wú)窮個(gè)“你”正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而現(xiàn)實(shí)將會(huì)按照概率的比例進(jìn)行分裂。這樣一來(lái)，經(jīng)典概率就仍然存在意義。

除此之外，量子力學(xué)的詮釋還有量子貝葉斯主義詮釋、量子達(dá)爾文主義詮釋、交易詮釋、關(guān)系性詮釋等。

雖然對(duì)量子力學(xué)的詮釋都有缺陷，但不妨礙我們只通過(guò)這些詮釋就能精準(zhǔn)計(jì)算出某些結(jié)果，并將此應(yīng)用到科技上，制造出可以實(shí)際使用的電子產(chǎn)品。對(duì)于量子力學(xué)來(lái)說(shuō)，還有一些非?；A(chǔ)和根本的部分等待著被發(fā)掘。

文章來(lái)源：《科技日?qǐng)?bào)》

（責(zé)任編輯：吳宇）