量子世界的神秘之处在于,它所描绘的实事是在人类宏观感知下无法识别的。为了解释这些反常识的东西,物理学家提出了许多理论、各种诠释。如今这些专业术语随着量子科技的发展已经逐渐渗透到了大众视野,“纠缠”、“测量”、“退相干”,等等,神秘且晦涩。但本文尝试不用数学公式来解释,而是化身一名观察者进入二维世界,看看量子世界里“抛硬币”是什么样,以帮助我们理解量子力学。
量子世界与经典世界最显著的差别,就是那些在经典世界中非此即彼的不同状态,在量子世界中却变成了同一状态的不同侧面。就像在空中旋转的硬币,正面向上和背面向上的两种状态同时存在其中。或者更准确地说,空中的硬币其实处在“转动态”,它由“正面态”和“背面态”叠加而成。当然,这个比喻也有不恰当的地方,那就是“转动态”的可见性。普通的硬币即使尚未落地,我们仍然能够看见它在空中旋转的样子。
而量子系统的叠加态,则是一种不可见的对象。我们只能通过测量,迫使量子硬币停止转动,才能得到一个可见的结果。
为了让这个比喻更恰当,我们暂且把自己想象成只懂得前后左右,而不懂得上下的二维生物,这时我们就很难直观地理解硬币在三维空间中的翻滚运动。不过,如果少掉的维度没有影响我们的话,我们仍然可以通过实验观察和逻辑推理建立起硬币翻滚的理论模型。
为了在数学上描述它,我们就需要使用一些额外的自由度,这就是量子力学中为什么总是出现虚数i的原因。那些i所代表的,正是我们的感知无法触及,只能逻辑推演的额外自由度。这些额外自由度如果还具备一些对称性的话,在物理上就被称为“规范自由度”。
通过抛硬币的比喻,我们不仅可以想象单个量子的演化,还可以进一步理解量子之间的相互作用。具体而言,就是量子之间的纠缠关系。
最极端的一种纠缠关系,就相当于把两个硬币粘在一起。这样它们虽然仍在不停转动,但彼此之间的相对状态却变成了完全确定的样子。其中一个正面向上的时候,另一个也总是正面或背面向上。不过纠缠关系有许多种,其中大部分并没有这么绝对,而是稍有松动的粘连。其中一个硬币正面向上时,另一个仍可以在一定范围内扭动。
借助上面这些图像的辅助,我们现在就可以尝试理解一下,量子力学中被误解最多的“量子测量”问题。
在量子力学诞生之初,人们只知道量子态在被测量时会塌缩成经典态,而且塌缩过程是瞬间完成的某种概率性选择。似乎这个过程非常不讲道理,甚至冥冥中透着股“精神决定物质”的味道。尽管量子力学已经出现了一百多年,但至今仍然有人以为,薛定谔的猫是在被观察的瞬间忽然塌缩成死或者活的状态,只要不被观察猫就处在既死又活的叠加态。
所谓的量子计算过程,是在不进行测量的前提下,小心翼翼地对其转动姿态进行各种调整,即执行算法。而最终的读数,只能在所有计算过程结束之后一次性进行。如果在过程中,某个量子比特不慎与环境发生了作用,就会出现退相干,量子信息就遭到了破坏。为了避免这种情况,研究者们不断寻找各种办法。工艺上的常见手段就是尽量降低环境温度,这样可以减少量子发射和吸收能量包的概率。