摸不透的量子力學

吳長鋒

最近，一條關于量子計算機的新聞刷屏了，那就是我國量子計算機“九章”處理高斯玻色取樣的速度比目前最快的超級計算機快了100萬億倍。

雖然生活中、新聞里經常會聽到“量子力學”這個詞，但很多人到現在都不清楚量子力學究竟是一門怎樣的學問。

量子不是一個實體

一聽到量子，很多人會以為它跟電子一樣是一個實體。其實，這個理解是錯的。

量子這個概念最早由德國物理學家普朗克提出。1900年，普朗克在研究“黑體輻射”的時候，提出了一個假說：能量的傳輸不是連續的，而是“一份一份”的。普朗克把這一份一份的能量稱為“能量子”，也被人們稱為“量子”。

這在當時是一個顛覆性的概念，因為在經典物理學里，人們一直認為能量的傳輸是連續的，不存在最小單位。由于這個假說太過于“叛逆”，簡直顛覆了整個經典物理學，所以在該假設提出之后，普朗克一直試圖尋找各種方法來解釋輻射能量的不連續性現象，但最終都失敗了。

1905年，愛因斯坦在普朗克研究的基礎上，認為光的傳播也是“一份一份”的，并且愛因斯坦給出了極其充分的數學證明，證明存在所謂的“光量子”。

在此之前，光作為一種波，已經被人們廣為接受。在新的理論面前，光的波動說與微粒說之爭以“光具有波粒二象性”的結論落下了帷幕。之后人們發現，不單單能量和光存在這種量子性，電子等其他微觀粒子也存在這種量子性。

量子力學最早就是研究為什么微觀粒子會呈現這種“既是波，又是粒子”的神奇現象。

量子力學就在我們身邊

那么，有人會問：研究量子力學到底有什么用呢？其實你正從中受益。比如，生活中你每天都離不開的電腦，它的出現首先要感謝的就是量子力學。正是得益于量子力學基礎研究領域獲得的突破，美國斯坦福大學的研究者尤金·瓦格納及其學生弗里德里希·塞茨才能在1930年發現半導體的性質——可同時作為導體和絕緣體而存在。在晶體管上加電壓能實現門的功能，以控制管中電流的導通或阻斷，利用這個原理便能實現信息編碼，可以編寫一種1和0的語言來操作它們。

可以說，整個半導體產業基本都是在量子力學基礎上才得以構建的，如果沒有量子力學，就不會有芯片、計算機，乃至我們當前五花八門的電子產品。現代互聯網所代表的信息科技，包括原子鐘、人工智能、5G、LED等，都跟量子力學脫不了關系，現代醫學的大多數成像工具和分析方法，如自旋磁共振、電子隧道顯微鏡等，基本也都是在量子力學的基礎上才得以實現的。

展望未來，如果通用量子計算機得到廣泛應用，那整個社會的方方面面都會受到影響。

中國科學院院士、中國科學技術大學郭光燦教授表示，醫療方面，我們生產新藥物的速度會大大提高，這是因為新藥制造需要計算機模擬哪個配方是最有效的，使用電子計算機模擬非常慢，但量子計算機很快就能計算出來;人工智能方面，無人駕駛汽車傳感器如果使用量子技術，處理信息的反應速度會更快，性能就會提高;農業方面，可以利用量子計算機去研究光合作用，有科學家預言，如果這個應用研究成功了，太陽能的利用率會從現有的10%提高到20%-30%，農業會出現跳躍式發展。

對量子力學的多種詮釋

雖然量子力學幾乎構成了當前包圍我們生活的各式各樣電子產品的基礎科學理論，但量子力學對于人類來說，仍然是一個巨大的“黑箱”。

量子物理學中的一些現象看起來“毫無章法”，有的似乎完全說不通。所以，物理學家就基于客觀存在的現象規律，通過數學工具提出了一些解釋，來詮釋這些現象，試圖讓量子物理能“說得通”。但是由于我們并不知道這些量子現象背后的原理，因此這些詮釋就有點像盲人摸象——對一個事物的描述存在多個版本，且都有缺陷。

量子力學告訴我們，不能再用位置這樣的物理量來描述電子、質子等粒子。例如，電子沒有固定的位置。取而代之，我們用它們可能處于的位置來描述它們。為了表示電子處于某個位置的概率，物理學家引入了一個叫波函數的數學工具。電子的每一個可能的位置都被稱為一個狀態，波函數給出了電子處于任意一種狀態的概率。

哥本哈根詮釋是量子力學的主流版本。它認為，當我們對波函數進行測量時，除了一個特定狀態的概率，其他所有狀態的概率都變為0，被測量到的狀態概率變為1。這確保了電子有一個固定的位置，而不存在于其他地方。這種一個特定狀態的概率變為1、其他概率都變為0的過程，被稱為波函數坍縮。但是，我們無法知道波函數在哪里以及如何坍縮。波函數描述的每一個可能的位置，都有機會成為電子所處的特定位置。哥本哈根詮釋實際上只是對量子不確定原理這個現象所做的描述，并沒有實際探究這個原理。

多世界詮釋有點類似科幻小說中最喜歡使用的“平行宇宙”概念。該詮釋認為，波函數對電子位置的其他預測不但沒有消失，而且還全部發生了，只不過它們都發生在彼此不相干的世界里。這聽上去就像如果你在這個現實里做了什么糟糕的決定，別擔心，也許在另一個現實中，你仍然可以獲得一個完美的結果。但這種詮釋也帶來了一個問題——它讓概率失去了意義。

導航波詮釋比較復雜，簡單說，導航波詮釋認為，用以表達量子力學的波函數是有實體的，是一個叫作導航波的真實的波。粒子只是導航波上的“頂點”，然后被導航波帶著走。導航波詮釋與哥本哈根詮釋最大的區別是，導航波認為粒子的位置和軌跡是固定的，只是我們無法提前獲取，只能觀察到隨機化的結果。

為了解決多世界詮釋在概率上的問題，一些科學家發展出了宇宙學詮釋。這種詮釋建立在永恒暴脹的背景下，它認為，如果有無窮個宇宙，那么，多世界詮釋一定成立，因為有無窮個“你”正在進行實驗，而現實將會按照概率的比例進行分裂。這樣一來，經典概率就仍然存在意義。

除此之外，量子力學的詮釋還有量子貝葉斯主義詮釋、量子達爾文主義詮釋、交易詮釋、關系性詮釋等。

雖然對量子力學的詮釋都有缺陷，但不妨礙我們只通過這些詮釋就能精準計算出某些結果，并將此應用到科技上，制造出可以實際使用的電子產品。對于量子力學來說，還有一些非常基礎和根本的部分等待著被發掘。

文章來源：《科技日報》

（責任編輯：吳宇）