量子时代势不可挡,量子计算机将改变高能物理
一个多世纪以来,物理学家们一直在与量子力学作斗争。量子力学是一套支配原子和其他小型系统行为的规则,这些系统与人类相比非常小。事实上,甚至量子力学是关于什么的也不是那么明显。首先,因为如果一切都是由小的成分组成,那么一切都应该服从量子力学的规则。第二,有些大型系统,如超导体或超流体,虽然很大,但不可否认仍表现出量子行为。最后,有人可能会问:
什么是量子系统?任何遵循量子力学定律的东西。
让问题更加复杂的是,对于这些规则到底是什么,甚至没有一个真正的协议,更不用说它们最初从何而来。然而,有许多特征是绝对量子的,即在日常(经典)物体的属性中从未发现:
- 量子系统的可能状态是由一个叫做波函数的数学对象来描述的。薛定谔方程决定了波函数在空间和时间中的变化;
- 在进行测量之前,这些状态是叠加的;
- 当进行测量时,从所有可能的状态中选择一个状态;
- 每一种状态都与测量结果的概率相关联,它等于与这种状态相对应的波函数的平方值(玻恩定则);
- 波函数的完整状态是不可复制的。
当将薛定谔方程应用于粒子对系统时,会产生一种被称为纠缠的现象,它被认为是量子系统的标志。其他令人着迷却又难以理解的特征是量子隧穿和无克隆定理。
事实上,没有人确切地知道为什么玻恩定则会存在。更令人费解的是纠缠的起源,一种可能的解释是,有关基本物体的信息与物体本身无关,而是在整个系统中传播,包括被观测的粒子、测量仪器、环境和观测者。必须记住两个关键词:因果关系和局部性。因果关系是指如果一个事件A引起另一个事件B,那么B必须总是跟着A。相反,局部性是指信息不能比真空中c的光速传播得更快,这是狭义相对论所禁止的,它阻止了所谓的超距作用。这两个定义看起来很相似,但实际上并非如此。局部性更基本,因为因果关系似乎是某种形式信息交换的结果。
问题的核心是,当两个粒子相互作用后,“飞走”并随后接受测量时,会发生什么。
假设每个粒子都有一个属性(如自旋、极化等),可以取二进制值,0或1或1或-1。用符号表示为:
一个由两个粒子组成的系统被表示为所有可能状态的总和:
然而,上述的相互作用引入了两个粒子属性之间的相关性,迫使系统处于相反状态的子集的叠加,例如:
在测量之前,系统处于多个状态的叠加。当对粒子a进行测量时,不仅显示其状态为:
但同时也给出了关于粒子b的信息。这是因为测量选出了两种状态组合中的一种,即:
概率由波恩定则决定。实验表明,这是瞬间发生的,但也表明不存在信息交换,因为我们不能强制粒子a的状态取某个值,但只在实验时观察它,不管它看上去是什么。
那么,粒子是否具有一种预先确定的状态是实验揭示的,还是测量本身创造的?如果前者是真的,那是什么机制决定了它们的状态呢?如果后者是正确的,那么,在不违反侠义相对论的前提下,粒子b是怎么知道粒子a的状态的?如果关于粒子b的信息也包含在粒子a和环境中呢?这看起来真的像是一个悖论,我们也不确定。这就是物理学家不同意的地方,有时甚至是非常不同意的。阿尔伯特·爱因斯坦是一位坚定的现实主义者,他从未接受哥本哈根的解释,并创造了一个著名的贬义词“幽灵般的超距作用”。
量子力学(QM)的意义
这种情况让专家们非常困惑,以至于在过去的一个世纪里出现了几种对该理论的解释。这不是我们第一次面对这样的情况,它已经发生在热力学和光的传播中了。对量子理论最流行的解释是哥本哈根解释(被认为是“量子正统学说”)、玻姆-德布罗意、多世界理论和QBism。一个简单的问题给出了主要的区别,量子力学到底是关于什么的?它是对现实的描述(现实主义)还是我们对现实的了解?多亏了约翰·斯图尔特·贝尔及其追随者的研究,实验物理学家有了概念性的工具来检验这些解释所做出的假设。
到目前为止,结论似乎是,量子力学要么是真实的但非局域的(玻姆-德布罗意),要么是非真实的(哥本哈根)但局域的。QBsim坚持认为,是否存在现实并不重要,量子力学只是我们知识的一种理论。其中一个理论逃脱了任何被验证的机会,即多世界理论,宇宙作为一个整体的叠加状态。每种解释都有优点和缺点,没有一种解释明显优于其他解释。