量子科技解讀系列之二：你真的明白量子力學么？

量子力學如何顛覆認知：看看這三個經典實驗吧！

量子科技的根基其實就是量子力學，最經典的“薛定諤的貓”可以說開啟了現代人對量子理論反常規的思辨風潮，薛定諤沒有解決的問題隨著時間的推移，通過一些實驗和理論的不斷完善，量子理論的說服力得到了飛躍的提升，當然，更多的問題接踵而至，所以在面對量子理論時，放棄常識并抱著開放性的心態會更容易理解，接下來我們就通過三個經典實驗，來更深入地了解量子力學吧。

實驗一：電子雙縫干涉

對于經典物理而言，粒子和波動是兩個層次的東西，不能混為一談，而量子力學則認為兩者密不可分，而雙縫衍射實驗就是量子力學最有力的證明。

使用一個一次只能發射一個電子的裝置，對刻有兩條平行縫隙的擋板進行發射，如果按常識來看，電子一定會穿過某一條縫隙，落在后面擋板的同一個位置上，這就是電子的粒子性質，但如果你進行多次測試就會發現，它并不是每一次都落在同一個位置，而是散落在某一個位置周圍，這意味著這一個電子并不是只通過其中一條縫隙，而是同時通過這兩條縫隙并和自己產生干涉，這就呈現出電子的波的性質。

雙縫干涉實驗告訴我們的正是電子具備波粒二象性，它既是波，也是粒子，同時具備兩種屬性：當我們進行觀測時，每一個電子只會落在某一個位置上，呈現出粒子的特性，但具體落在哪里又是個符合波性質的概率問題，這就打破了“物質世界具有連續性”這個常識：這只貓我早上看它的時候是一只貓，晚上看到它還是一只貓，所以理所當然地就認為在早上到中午我沒看到它的這段時間里它還是一只貓，但顯然這并不符合電子雙縫干涉實驗的結果。

事實上，對于雙縫干涉實驗中的電子而言，它處于量子場的影響中，在我們沒有觀測它的時候它是一個波函數，也就是描述一個電子一切概率分布信息的函數，它只能告訴我們電子在空間某一位置出現的概率，這與宏觀的質點運動有確定性明顯不同，量子世界是測不準的，這也是為什么愛因斯坦會說出“上帝不擲骰子”的原因，而只有在我們觀測時，波函數才會坍縮成為一個粒子，出現在某一個具體的空間位置上。

實驗二：量子擦除

那么，波函數的坍縮必須通過有意識的觀測么？第二個實驗深化了這個問題，其實依然是雙縫干涉實驗，但不同點是用具備偏振性的光子替代了電子，并充分利用量子糾纏現象：在波函數描述多電子體系時，對一個電子的狀態的改變能夠牽扯到這個體系其他電子的狀態的改變，不管這兩個電子的距離相隔多遠，這種作用關系被愛因斯坦稱作“幽靈般的超距作用”。

實驗用的光子有水平、垂直、順時針、逆時針四種偏振態，光子發射器會發射一對處于糾纏態的光子：水平偏振的A和垂直偏振的B，其中A不通過雙縫就直接被1號偏振探測儀探測，而B則通過雙縫并被后方的2號偏振觀測儀觀測。

與此同時，在兩個縫隙上覆蓋不同的四分之一波長片甲和乙，它的作用就是讓垂直偏振光B通過甲就轉換為順時針偏振，而通過乙則轉換為逆時針偏振，因為AB處于糾纏態，B的變化通過A就能進行觀測，從而得到B究竟是通過了哪一條縫隙。

而這個實驗最“量子”的部分來了！當我們打開1號偏振觀測儀對光子A進行觀測時，雙縫衍射的干涉條紋就消失了！關閉1號偏振觀測儀，也就是不觀測光子A的偏振態，干涉條紋就會重新出現。事實上1號偏振觀測儀的位置并沒有任何限制，就算放到宇宙另一端也并不影響，它的功能只是觀測與之處于糾纏態的光子B偏振性，所以這個實驗最重要的結論就是量子場的坍縮的發生并不需要有意識的觀察者，而第三個實驗則將這一理論更進一步。

實驗三：延時量子擦除

這個實驗器材的結構比較復雜，簡單來說就是實驗二的“分光版”，如果只看圖中畫框位置那它就是實驗二的布局。同時發射兩對處于糾纏態的光子，在保持實驗二結構的前提下增加四組探測儀（D1、D2、D3、D4）、三塊50%反射50%折射的半銀透鏡（BSa、BSb、BSc）和兩塊全反射玻璃（Ma、Mb）。

實驗結論有2個，其一是如果D3檢測到光子即對應圖中藍色光路的光子擊中了D0，D4檢測到光子則對應于紅色光路光子擊中D0，從而得到實驗二被擦除而無法得到的觀測數據，但此時D0上的干涉條紋會消失。第二個結論是D1和D2檢測到光子，因為這兩個探測器會同時接收藍色和紅色光子，因此依然無法得到D0的光路情況，觀測信息也相當于被擦除，但干涉條紋可以復原。

這個實驗的關鍵點在于，D0與雙縫的距離只有D1、D2、D3、D4的一半，也就是說后四者的感光時間都在D0之后，也就是光子在通過雙縫之前就似乎已經“決定”了是否會坍縮，而且這個實驗是在沒有觀測者、沒有觀測意識的前提下就導致了混合狀態的坍縮。難怪理查德·費曼會在《費曼物理學講義》里表示雙縫實驗所展示出的量子現象絕不可能以任何經典方式來解釋，它包含了量子力學的核心思想，透過雙縫實驗，可以觀察到量子世界的奧秘。

遇事不決量子力學？謹防身邊的“量子陷阱”

從這三大實驗可以看到，量子理論還存在著非常多懸而未決的“縫隙”，有的甚至上升到了哲學的領域……量子科技的落地主要還是集中在利用糾纏態的密鑰傳遞，以及利用疊加態的并行計算上，這兩點在我們此前的系列文章中已經有過詳細的解讀，歡迎大家查閱。

事實上，量子概念已經“火”了一段時間，但火的方法卻有點另類，在電商平臺以“量子”為關鍵詞，可以搜索到大量掛著“量子”旗號的養生用品，比如量子鞋墊、量子襪、量子內衣、量子手環……在這里量子成了一種玄學加成，冥冥中為穿戴者施加增益效果。除此之外“量子波動速讀”在去年也成了熱門話題，快速翻閱甚至蒙上眼睛，書本的內容就能進入大腦……顯然，這些概念無疑都是“掛羊頭賣狗肉”，所以量子的概念既有李鬼也有李逵，很有科普的必要性。

10月16日中央政治局就量子科技研究和應用前景進行的集體學習，讓量子科技真正走進了普羅大眾的視線當中，對普通人來說，量子理論是晦澀的（其實對非相關專業的人來說也很晦澀），它所實現的功能在目前來看也沒有明顯的感知性，也就是哪怕你已經用上了新技術，但也絲毫沒有察覺。我國在量子科技領域雖然并沒有走到最前端，但考慮到目前整個行業都還沒有成型，再加上政策扶持力度較大，十四五計劃中也極有可能加入量子科技的相關內容，所以在這個賽道，我們并沒有落后太多，仍有很大的追趕空間，未來值得期待。