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回顾量子百年(第二节):薛定谔的猫

发布时间:2023-04-14 13:53:37  信息来源:  阅读次数: 4666 次

根据哥本哈根学派的量子理论,波函数不能准确确定电子的位置,某一时刻的电子,有可能位于空间中的任何一点,只是位于不同位置的概率不同而已。


换言之,电子在这一时刻的状态,是由电子在所有固定点的状态按一定概率叠加而成的,称之为电子的量子“叠加态”。而每一个固定的点,被认为是电子位置的“本征态”。
 
比如在量子理论中,电子的自旋被解释为电子的内在属性,无论你从哪个角度来观察自旋,都只能得到“上旋”或“下旋”两种本征态。那么,叠加态就是本征态按概率的叠加,两个概率的组合可以有无穷多。
 
电子既“上”又“下”的叠加态,是量子力学中粒子所遵循的根本规律。光也是有叠加态的,例如,在偏振中,单个光子的电磁场在垂直和水平方向振荡,那么光子就是既处于“垂直”状态又处于“水平”状态。
 
但是,当我们对粒子(比如电子)的状态进行测量时,电子的叠加态就不复存在,它的自旋要么是“上”,要么是“下”。为了解释这个过程,海森堡提出了波函数坍缩的概念,即在人观察的一瞬间,电子本来不确定位置的“波函数”一下子坍缩成某个确定位置的“波函数”了。因此,量子具有不可测量的特性。
 
量子的叠加态,严重违背了人们的日常经验,于是薛定谔想出了一个有关“猫”的思想实验,以此来嘲笑哥本哈根学派对“波函数”概念的概率解释。这就是我们耳熟能详的“薛定谔的猫”。
 
 
他将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。
 
根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和未衰变两种状态的叠加,因此这只猫相应地处于“死”和“活”的叠加状态,直到有人打开盒子观测才能有确定的结果。
 
薛定谔认为,一只猫,要么是死的,要么是活的,怎么可能既死又活?
 
尽管现实中的猫不可能既死又活,但电子(或原子)的行为就是如此,这个实验则使薛定谔再次站到了自己奠基的理论的对立面,因此有物理学家调侃道:“薛定谔不懂薛定谔方程。”
 
尽管遭到了薛定谔的反对,但量子叠加态在上世纪80年代量子计算诞生后,已经被人们所深信不疑。
 
1981年5月,物理学家费曼在麻省理工学院召开的“物理与计算”会议上做了一个关于用计算机模拟量子物理的报告,他认为经典计算机不能准确模拟量子行为,需要建造一个按照量子力学的规律来运行的计算机才能成功模拟它。
 
从此,量子力学理论被应用在计算机科学上,量子计算机利用的正是量子叠加的特性。经典计算使用二进制进行运算,一个比特总是处于0或1的确定状态;量子计算完全不同,一个量子比特是0和1按照一定概率的叠加。一个量子比特一次就能同时表示0和1两个数字。
 
一个比特只表示一个数还是同时表示两个数,看起来差别不大。但如果多个量子比特与同样数目的经典比特比较,差别将是指数级的。
 
比如,两个经典比特可以表示00、01、10、11这4个数字,但只能从中选择一个。但如果是两个量子比特,一次就能同时表示这4个数字。再如,三个经典比特仍然只能表示一个数字,三个量子比特可以用来同时表示8个数字。
 
以此类推下去,随着比特数量的增加,经典系统一次表示的数字依然是一个,只是可以表示的数值更大而已。但量子系统同时能表示的数字数目将以指数方式快速增加,即2ⁿ
 

当有20个量子比特时,它一次能表示的数字数目为2²º,超过100万。当N=250时,可以表示的数字数目比宇宙中所有原子的数目还要多。这就是为什么人们认为量子计算机的计算能力如此强大。


▍背景简介:本文摘自公众号“光子盒”。

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