量子世界为何如此诡异?现在我们可能知道答案了!

作者: 发布时间:2019-08-23 07:05

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把球扔向墙面,它会反弹,然后你可以再次抓住它。到现在为止还挺好。球不会突然从墙上消失,也不会变成别的东西。你刚才看到的这种完全正常的、可预测的行为就是经典物理学在起作用。直到1900年,它一直被称为物理学。无论你是在讨论粒子还是行星,控制球反弹的规则都可以用来描述宇宙中的任何东西。

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然后量子力学出现了。在过去的四十年里,我们的世界变成了一个非常陌生的地方。物体的行为就好像它们同时在两个地方一样,粒子的行为就好像它们可以同时出现在两个地方,从而导致了双重生命。量子世界的怪诞已经成为传奇,但这种怪诞的起源仍然是个谜。理论家一直继续努力解决一个几乎无法忍受的基本问题:是什么赋予了量子世界明显的反直觉的量子味道?

事实是我们还不知道。这种无知对我们对现实的理解以及我们在现实技术中使用量子现象的能力有着深远的影响。虽然多年来出现了不同的建议,但我们现在似乎离真正的答案越来越近了。

没有什么比建造量子计算机更具变革性的了。作为普通PC的卓越继承者,其传说中的优势被认为是一系列量子现象所致。如果我们已经确定了数量的真正根源,一场新的计算革命将很快到来。

一切都从阿尔伯特·爱因斯坦开始。在20世纪初,他站在一波年轻物理学家的前沿,他们对我们周围的世界做出了重大的发现。1905年,他令人信服地指出,光(长期以来被物理学机构认为是一种波)必须以非常类似粒子的方式行事。当用称为电子的亚原子粒子进行的实验显示它们像波一样向外扩散时,物理学界更加困惑。

“事实是,尽管量子计算具有革命性的潜力,但它的力量之源仍然笼罩在神秘之中。”

解释这些新现象需要重新思考光和物质的结构。人们发现,微观粒子和原子被发现具有更光滑的特性。它们最好的描述是用被称为波函数的数学实体来描述的,它计算了它们在不同地方存在的概率。直到你发现它们的确切位置,所有这些不同的可能性都同时存在。

用波函数和概率代替难以确定的结果,产生了一些令人吃惊的后果。这意味着当一个粒子面对一个硬屏障时,它被定位在另一边的概率为非零,允许它执行看似不可能的穿越隧道的壮举。

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许多物理学家不喜欢这幅画面。其中最主要的是爱因斯坦,他对自己帮助引入的量子世界观的后果感到震惊。为了强调这一激进的新物理学的荒谬之处,他与普林斯顿大学的两位志同道合的同事鲍里斯·波德斯基(Boris Podolsky)和内森·罗森(Nathan Rosen)合作撰写了一篇论文。这篇被称为EPR悖论(Einstein-Podolsky-Rosen paradox)的论文,以作者的名字命名,展示了一个由概率控制的宇宙令人担忧的结果。EPR解释说,在适当的条件下,两个粒子的波函数可以紧密地绑在一起,或者纠缠在一起,以至于你在一个粒子上执行的任何动作似乎都会瞬间影响另一个粒子,不管它们相距多远。

这是异端邪说。在经典物理学的语言中,信号只能以光速传播。这意味着物体需要更多的时间来与距离它们更远的事物进行交流,而不是与紧挨着它们的物体进行交流。根据这一逻辑,经典物理学说,两个相距一光年的纠缠粒子需要整整12个月的时间才能对彼此的任何变化做出反应。然而,根据EPR的说法,这种反应似乎是瞬间发生的。难怪爱因斯坦称这个过程为“鬼魅般的超距作用”。

推翻爱因斯坦

但并不是每个人都这么害怕。埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)是量子论的另一位先驱,他将纠缠作为一种现象,将量子世界和经典世界明确区分开来,称其为量子力学的特征。对于像薛定谔这样的物理学家来说,它的诡异使它成为寻找使量子世界具有量子性的关键成分的理想场所。

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一直以来,像爱因斯坦这样的怀疑论者都不顾一切地用纯粹经典的方法来解释这种奇怪的孪生关系。一个建议是,这两个粒子具有预先确定的特性,这些特性是通过观察发现的。例如,如果你把一副手套分别放到宇宙的两端,当你发现一只手套是右手的时候,知道其中另一只手套是左手就不足为奇了。一只手套的并不是在另一只手套被检查的时候出现的,它一直以来都是它的身份中不可或缺的一部分。

这一理论似乎既解释了纠缠又保持了局域性。1964年,物理学家约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)构思了一系列思想实验,能够区分真正的量子纠缠和保持局域性的经典纠缠(见下图),这一切都发生了变化。

从1972年起,在一系列更加精确的实验中,纠缠被证明是一种现实。量子物理是非局域性的。在伦敦大学戈德史密斯大学从事量子信息理论研究的马蒂·霍本(Matty Hoban)说:“这些实验决定了任何拯救现实的希望的命运。”

但是,尽管非局域性显然是量子力学奇怪的一个组成部分,但这并不是故事的结尾。首先,非局部性仅适用于两个或多个粒子。它不存在于任何涉及单个粒子的奇怪量子效应中,例如它能够通过隧穿墙壁或获得多个身份。其他一些经典物理定律也被打破了。

不可靠的证人

这一困境的答案,再一次可以追溯到爱因斯坦。EPR及其支持者提出的另一个假设是,量子实验遵循与经典实验相似的规则。他们假定任何物体都有固定的性质,可以通过提出正确的实验问题来发现这些性质。左手套永远是左手套,这是一个不变的内在属性。无论你是通过戴上它来测试它,还是让你的朋友戴上它,这些不同的环境都不应该改变它的身份。

贝尔的测试表明,在量子世界中,它们确实有影响。当测量一对纠缠粒子时得到的结果与对其伙伴的测量有很强的联系。换句话说,每个粒子的答案必须取决于它被质疑的背景。从这个角度来看,量子世界中所有最违反直觉的结果都突然变得有意义了。在适当的条件下审问一个量子粒子,你可能会影响其供述的性质。

对于加拿大周边理论物理研究所的安娜·贝伦·塞恩斯(Ana Belén Sainz)来说,这使得情境性成为更固有的量子现象,而非局部性仅仅是它自身的一种表现方式。

然而,为了找出它是否真的是量子世界固有的奇怪之处的根源,我们需要构造一个类似于贝尔为非局域性设计的测试。这需要在两个不同的环境中进行相同的实验,并比较结果。事实证明,这是一个巨大的挑战,因为即使是设备中的微小缺陷也会导致实验噪音,从而导致结果的细微变化。你如何区分纯粹由于实验噪声而产生的差异和那些由于量子怪诞而产生的差异呢?

答案出现在2016年,当时两个团队对量子背景进行了独立的实验测试。他们的方法足够强大,实验噪音足以令人信服地证明量子世界中的物体确实是不可靠的见证者:他们给出的答案不仅取决于你问的问题,而且取决于你问他们的背景。对塞恩斯来说,这些实验是量子物理学史上的一个里程碑。

尽管它在量子宇宙中扮演着更重要的角色,但几十年来,它的情境性一直没有得到应有的认可。缺乏爱因斯坦认可只是冰山一角。霍本说:“这在很大程度上可以归结为令人震惊的价值。”对于物理学家来说,非局域性似乎更令人震惊,因为它触及了现实的基本要素:空间、时间和因果关系。无论出于何种原因,它的主导地位可能即将受到挑战。

2019年可能是世界上第一台大规模量子计算机建成的一年。根据该竞赛中的主要竞争者的说法,这样的计算机将利用量子力学的怪癖来执行甚至超越速度最快的超级计算机的任务,从发现新的癌症药物到改进天气预报和交通控制。但是什么让它们如此特别呢?

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IBM的工程师们也希望制造出世界一流的量子计算机

在幕后,计算机只是一种能够操纵信息以执行所需任务的设备。在普通笔记本电脑或个人电脑中,这是通过位于机器核心芯片上的数十亿个晶体管实现的。每个晶体管都可以处于两种状态中的一种:通电或关断。这两个状态(称为1和0)表示单个位信息。把足够多的碎片粘在一起,你就可以做任何事情,从计算航天飞机的轨迹到建立一个模型宇宙。

在量子计算中,经典位被量子位取代。量子位的波函数不只是以0或1的形式存在,而是允许它以0和1的新组合存在,这就是所谓的叠加。到目前为止还很简单。但在这一点上,许多试图解释量子计算能力的尝试都偏离了轨道。标准版本是这样的。经典位必须在两种可能的状态中选择一种,但是,多亏了叠加,一个量子位可以“同时”表示两种状态。因此,当一台经典计算机必须一次尝试每一个可能的解决方案时,量子叠加允许量子计算机同时尝试所有可能的解决方案,使它比普通计算机更快、更强大。听起来很棒。唯一的问题是,这完全是胡说八道。霍华德说:“如果事情这么简单,量子算法的设计也会很容易。”

事实是,尽管量子计算具有革命性的潜力,但它的力量之源仍然笼罩在神秘之中。霍华德说:“即使对专家来说,理解量子计算机‘实际在做什么’也是一个难题。”在某些情况下,我们知道量子算法已经能够通过使用纠缠和叠加等现象来完成看似不可能的壮举。但我们也知道,它们的一些成就可以在常规的经典机器上进行模拟。换句话说,仅仅使用这些奇怪的效果并不足以使量子计算机获得优势。悉尼大学的量子物理学家安吉拉·卡兰杰(Angela Karanjai)说:“令人担忧的是,我们还没有一种强有力的方法来确定一个量子系统必须具备哪些必要条件和充分条件,才能看到相对于经典计算的优势。”

但有些人认为他们知道这一优势所在。2014年,霍华德和他的合作者发表了一篇里程碑式的论文,表明情境性可能是量子计算的核心引擎。他们从被称为稳定器电路的简单系统开始,这些电路本质上是量子的,但很容易在常规的经典计算机上进行模拟。用量子计算机科学家的话来说,这些电路不是“通用的”;并不是所有可能的量子算法都能在它们上运行。事实也证明,它们还不够复杂,不足以显示情境性。

霍华德和他的同事证明了,一旦你赋予稳定器电路创造情境的能力,你就会使它们具有普遍性。霍本说:“这一结果开辟了新的领域,并发现了量子计算机能力的一部分基础。”

那么,情境性是量子计算加速的秘密引擎吗?鉴于现有的各种量子计算模型,霍华德对过度泛化持谨慎态度。尽管如此,我们知道,至少在某些时候,情境可以使计算成为真正的量子,这仍然是一个有用的结果。卡兰杰和她的合作者最近的工作表明,量子电路所展示的情境的数量限制了经典计算机模拟它所需的内存。情景越多,所需内存就越大。卡兰杰说:“这些结果告诉人们建造一台量子计算机要使用显示情景性的系统来构建它,因为这些系统可以提供更多的计算能力。”

但情景性不仅有很好的技术前景。在经历了一个世纪的不确定性之后,它终于可以让我们描绘出量子物理学和经典物理学之间模糊的界限。

对薛定谔来说,纠缠是“可怕的”,它颠覆了我们的经典先入之见,这一事实足以预示它正处于分裂的另一边。但是霍华德,卡兰杰和其他人的工作表明,一个更严格的定义可能是可以实现的。量子物理学的核心不是由那些与我们经典预期不符的现象组成的杂乱无章的理论,而是一种关于计算的理论。看起来令人震惊的是,量子行为的真正特征可能是那些提供了明显的计算优势的。

如果这一点持续下去,那么建造量子计算机的竞争将不仅仅是革命性的计算。它真正的遗产,事实上,可能是最终确定什么使量子力学成为量子!


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