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我们可以制造量子计算机 但我们仍然不能理解量子力学

发布于:2020-12-15 文章已被223人观看

量子力学对人类来说还是一个巨大的“黑箱”。目前量子力学的很多“解释”只是对“黑箱”中呈现的这些东西的规律做了一些“似是而非”的解释,所以量子力学的每一种解释都有其自身的缺陷。

近日,国内量子计算机“九章”以比目前最快的超级计算机快100万亿倍的速度处理高斯玻色采样。

虽然在生活和新闻中经常听到量子力学这个词,但很多人仍然不知道量子力学是一门什么样的知识。

量子不是一个实体

当你听量子的时候,很多人会认为它是一个像电子一样的实体。其实这种理解是错误的。

量子的概念最早是由德国物理学家普朗克提出的。1900年,普朗克在研究“黑体辐射”时,提出了一个假设:能量的传递不是连续的,而是“一个接一个”的。普朗克称这部分能量为“能量子”,也称为“量子”。

这在当时是一个颠覆性的概念,因为在经典物理中,人们一直认为能量传递是连续的,没有最小单位。因为这个假设过于“叛逆”,颠覆了整个经典物理学,普朗克从提出假设开始,10多年来一直试图寻找各种方法来解释辐射能的不连续性,但最终都失败了。

1905年,在普朗克研究的基础上,爱因斯坦认为光的传播也是“一股子”,爱因斯坦给出了极其充分的数学证明,证明了所谓“光量子”的存在。

在此之前,光作为一种波,已经被人们广泛接受。面对新理论,光的波动论和粒子论之争随着光具有波粒二象性的结论而告一段落。后来发现这种量子性质不仅存在于能量和光中,也存在于电子等其他微观粒子中。

量子力学首先研究的是为什么微观粒子呈现出这种“既是波又是粒子”的神奇现象。

量子力学就在我们身边

那么,可能有人会问:学量子力学有什么用?其实你是从中受益的。比如每天离不开的电脑,它的出现首先要感谢的是量子力学。得益于量子力学基础研究领域的突破,美国斯坦福大学研究员尤金瓦格纳(Eugene Wagner)和学生弗里德里希塞茨(Friedrich Seitz)于1930年发现,半导体性质——既可以作为导体存在,也可以作为绝缘体存在。向晶体管施加电压可以实现栅极控制晶体管中电流导通或截止的功能。利用这个原理,可以实现信息编码,并且可以编写1和0的语言来操作它们。

可以说整个半导体行业基本都是建立在量子力学的基础上的。没有量子力学,就没有芯片,电脑,甚至我们现在五花八门的电子产品。以现代互联网为代表的信息技术,包括原子钟、人工智能、5G、LED等。与量子力学密切相关。同时,现代医学的大多数成像工具和分析方法,如自旋磁共振和电子隧道显微镜,基本上都是在量子力学的基础上实现的。

展望未来,如果普遍使用量子计算机,社会各方面都会受到影响。

中国科学院院士、中国科技大学教授郭广灿在接受媒体采访时表示,在医疗方面,新药的生产速度将大大提高。这是因为新药的制造需要计算机来模拟哪个配方最有效,使用电子计算机模拟非常慢,但量子计算机可以快速计算;在人工智能方面,如果使用量子技术,无人驾驶汽车中的传感器处理速度会更快,性能也会提高;在农业中,量子计算机出来后,我们就可以研究光合作用是如何工作的。一些科学家预测,如果这项应用研究成功,太阳能的利用率将从目前的10%提高到20%-30%,农业将突飞猛进。

对量子力学的多种诠释

虽然量子力学几乎构成了围绕我们生活的各种电子产品的基础科学理论,但量子力学对人类来说仍然是一个巨大的“黑箱”。

量子物理中有些现象看似“杂乱无章”,有些则完全不合理。因此,物理学家基于客观现象的规律,通过数学工具提出了一些解释来解释这些现象,试图使量子物理“看似合理”。但是,因为我们不知道这些量子现象背后的原理,所以这些解释有点像盲人摸象——对一个事物的描述。

量子力学告诉我们,不能再用位置等物理量来描述电子、质子等粒子。比如电子没有固定的位置。相反,我们根据它们可能在哪里来描述它们。为了表示电子处于某一位置的概率,物理学家引入了一种数学工具,叫做波函数。电子的每一个可能的位置都叫做状态,波函数给出了电子处于任何状态的概率。

哥本哈根解释是量子力学的主流版本。它认为,当我们测量波函数时,除了一个特定的状态之外,所有状态的概率都为零,被测状态的概率为一。这就保证了电子有固定的位置,不存在于其他任何地方。一个特定状态的概率变为1,其他所有概率变为0的这个过程称为波函数坍缩。但是我们无法知道波函数在哪里,它是如何坍缩的。波函数所描述的每一个可能的位置都有机会成为电子的特定位置。事实上,哥本哈根解释只是描述了量子测不准原理的现象,并没有实际探索这个原理。

多世界解读有点类似科幻小说中最喜欢的“平行宇宙”概念。根据这种解释,波函数对电子位置的其他预测不仅没有消失,而且都发生了,只不过都发生在不相关的世界里。听起来像是,如果你在这个现实中做了什么糟糕的决定,不要担心,也许在另一个现实中,你仍然可以得到一个完美的结果。但这种解释也带来了一个问题——,让概率变得毫无意义。

导航波解释比较复杂。简单来说,导航波解释认为,用来表示量子力学的波函数是实波,称为导航波。粒子只是导航波上的“顶点”,然后被导航波带走。导航波解释和哥本哈根解释最大的区别在于导航波认为粒子的位置和轨迹是固定的,但我们无法提前得到,只能观察随机化的结果。

为了解决多世界解释中的概率问题,一些科学家发展了宇宙学解释。这种解读是建立在永恒通货膨胀的背景下的。它认为如果有无限个宇宙,那么对许多世界的解释必然成立,因为有无限个“你”在实验,现实会按照概率的比例分裂。这样,经典概率还是有意义的。

除此之外,量子力学的解释包括量子贝叶斯解释、量子达尔文解释、交易解释、关系解释等等。

虽然量子力学的解释是有缺陷的,但这并不妨碍我们通过这些解释准确计算出一些结果,并将其应用到科学技术中,生产出可以在实践中使用的电子产品。对于量子力学来说,还有一些非常基础和根本的部分等着被发现。(吴长锋)

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