遇事不決？真的可以來試試量子力學_風聞

量子世界的神秘之處在於，它所描繪的實事是在人類宏觀感知下無法識別的。為了解釋這些反常識的東西，物理學家提出了許多理論、各種詮釋。如今這些專業術語隨着量子科技的發展已經逐漸滲透到了大眾視野，“糾纏”、“測量”、“退相干”，等等，神秘且晦澀。但本文嘗試不用數學公式來解釋，而是化身一名觀察者進入二維世界，看看量子世界裏“拋硬幣”是什麼樣，以幫助我們理解量子力學。

撰文 | 董唯元

God does not play dice with the universe.

——愛因斯坦

“遇事不決，量子力學”，這話説得好像量子力學是門拋硬幣的學問似的。而實際情況呢？呃……其實差不多還真是這樣。許多量子力學的神秘表現，都可以通過一個拋硬幣的場景來輔助理解認識。

量子世界與經典世界最顯著的差別，就是那些在經典世界中非此即彼的不同狀態，在量子世界中卻變成了同一狀態的不同側面。就像在空中旋轉的硬幣，正面向上和背面向上的兩種狀態同時存在其中。或者更準確地説，空中的硬幣其實處在“轉動態”，它由“正面態”和“背面態”疊加而成。

當然，這個比喻也有不恰當的地方，那就是“轉動態”的可見性。普通的硬幣即使尚未落地，我們仍然能夠看見它在空中旋轉的樣子。而量子系統的疊加態，則是一種不可見的對象。我們只能通過測量，迫使量子硬幣停止轉動，才能得到一個可見的結果。

為了讓這個比喻更恰當，我們暫且把自己想象成只懂得前後左右，而不懂得上下的二維生物，這時我們就很難直觀地理解硬幣在三維空間中的翻滾運動。不過，如果少掉的維度沒有影響我們的話，我們仍然可以通過實驗觀察和邏輯推理建立起硬幣翻滾的理論模型。為了在數學上描述它，我們就需要使用一些額外的自由度，這就是量子力學中為什麼總是出現虛數i的原因。那些i所代表的，正是我們的感知無法觸及，只能邏輯推演的額外自由度。這些額外自由度如果還具備一些對稱性的話，在物理上就被稱為“規範自由度”。

有個很重要的規範自由度，就是量子態的“相位”，它刻畫着整個量子態隨時間的演化。這也非常像空中旋轉的硬幣，其空中姿態的不斷變化，恰好也是由轉動的相位來描述。

通過拋硬幣的比喻，我們不僅可以想象單個量子的演化，還可以進一步理解量子之間的相互作用。具體而言，就是量子之間的糾纏關係。最極端的一種糾纏關係，就相當於把兩個硬幣粘在一起。這樣它們雖然仍在不停轉動，但彼此之間的相對狀態卻變成了完全確定的樣子。其中一個正面向上的時候，另一個也總是正面或背面向上。不過糾纏關係有許多種，其中大部分並沒有這麼絕對，而是稍有鬆動的粘連。其中一個硬幣正面向上時，另一個仍可以在一定範圍內扭動。

這些或鬆散或牢固的糾纏關係，是因何建立起來的呢？原因就在於它們彼此之間的能量交換。物理上所説的相互作用，其實質就是指能量交換的意思。而每一份從A傳遞到B的能量，本身也可以被看做是一個量子。所以在專業術語中，我們會看到“通過交換玻色子傳遞相互作用”這樣的説法。這些離開A前往B的能量包，不僅攜帶了A的能量，也同時攜帶着A的轉動狀態。於是，當能量包被B獲取之後，也就或多或少的影響了B的轉動狀態。糾纏關係便這樣建立了起來。

藉助上面這些圖像的輔助，我們現在就可以嘗試理解一下，量子力學中被誤解最多的“量子測量”問題。在量子力學誕生之初，人們只知道量子態在被測量時會塌縮成經典態，而且塌縮過程是瞬間完成的某種概率性選擇。似乎這個過程非常不講道理，甚至冥冥中透着股“精神決定物質”的味道。

儘管量子力學已經出現了一百多年，但至今仍然有人以為，薛定諤的貓是在被觀察的瞬間忽然塌縮成死或者活的狀態，只要不被觀察貓就處在既死又活的疊加態。於是一堆奇怪的問題就被隨即提了出來：

“如果是盲人在做實驗，會影響貓的死活嗎？”

“如果貓自己觀察了自己，也算是物理測量嗎？”

“太空深處一塊從未被觀察過的石頭真實存在嗎？”

“宇宙是由於人類的觀察才成為現下的樣子的嗎？”

……

類似的問題在網上反覆出現，其實量子力學根本沒有那麼古怪。疊加態的消失，完全可以簡單地理解為轉動的硬幣落到了地面上，從而停止了轉動徹底變成經典狀態。僅此而已。

可是為什麼硬幣的轉動會停止呢？原因就在於測量這個動作使轉動的硬幣與我們的實驗設備發生了相互作用，建立了糾纏關係。別忘了我們和實驗設備都處在一個二維世界裏，所以這些黏糊糊的糾纏關係也就把三維空間裏轉動的硬幣生生地拉平，最終老老實實地躺着我們這個二維世界裏，變成了純粹的經典態。

從此我們知道，粒子從疊加態退化成經典態的過程，並不是無厘頭的瞬間塌縮，而是需要經歷一個弛豫時間的物理過程。只不過這個過程時間極短，我們無法感知罷了。而且，這個過程也與人的認知意識無關，只要發生足夠多的能量交換，疊加態就會被環境拉平，退化成經典態。明白了這一點之後，我們就不要再用容易引起誤解的“塌縮”來描述這個過程了，而應該使用“退相干”這個詞。

另外，這個圖像還能幫我們理解其他一些量子力學中的特性。比如不確定性原理，無非就是把硬幣換成骰子，它的一些側面與另外一些側面相互垂直，所以當其中一個側面被我們這個二維世界拉平的時候，其它與其垂直的側面對我們來説就變得徹底不可測量了。

最後需要特別説明的是，量子測量這個動作會改變被測量對象的狀態，這是身處二維世界的我們不得不面對的無奈。當我們在量子計算機中使用量子比特記錄和處理信息時，就像在使用時刻轉動的硬幣，而不是躺平在地面上的經典比特。此時，我們不能像使用經典計算機那樣隨便讀取比特中的信息。因為每次讀取都會不可避免地破壞硬幣的轉動，也就破壞了量子比特中的信息。

所謂的量子計算過程，是在不進行測量的前提下，小心翼翼地對其轉動姿態進行各種調整，即執行算法。而最終的讀數，只能在所有計算過程結束之後一次性進行。如果在過程中，某個量子比特不慎與環境發生了作用，就會出現退相干，量子信息就遭到了破壞。為了避免這種情況，研究者們不斷尋找各種辦法。工藝上的常見手段就是儘量降低環境温度，這樣可以減少量子發射和吸收能量包的概率。（關於如何提升退相干時間，可參見《當量子計算遇上超導：一場美麗的邂逅》）同時在原理上，研究者也在尋找比較牢固的量子態作為信息載體，比如拓撲量子態，可以在較高温度時仍能保持自己的信息不被破壞。