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量子十問|(一)量子究竟是什麽?

郭光燦量子科普系列。量子究竟是什麽?量子比特和經典比特的區別是什麽?網絡上“量子水”之類的概念是騙局嗎?

1900年,普朗克首次提出量子概念,用來解決困惑物理界的“紫外災難”問題。

量子十問|(一)量子究竟是什麽?

普朗克

普朗克假定,光輻射與物質相互作用時其能量不是連續的,而是一份一份的,一份“能量”就是所謂量子。從此“量子論”就宣告誕生。

然而當時的物理界,包括普朗克本人,都討厭“量子”這個怪物,千方百計想要將它消化在經典物理的世界之中,但卻屢試不果。唯有愛因斯坦獨具慧眼,他認爲光輻射不僅在于與物質相互作用時的能量是一份一份的,光輻射的能量,本身就是“量子化”的,一份能量就是光能量的最小單元,後來稱之爲“光量子”,或簡稱“光子”。

量子十問|(一)量子究竟是什麽?

德布羅意

法国年轻的博士生德布羅意在爱因斯坦“光子”概念的启发下提出:既然看似波动的光辐射,具有“粒子”特性,那么像电子这类看似“粒子”的物质,也应具有波动性。这就是“德布羅意物质波”的概念,由此引发后继大量理论与实验研究,证实所有微观粒子都同时具有波动性和粒子性二象性。这些奇异特性的微观粒子构成“量子世界”,遵从量子力學的运动定律。

隨著科學技術的發展,人們認識到“量子世界”不僅限于微觀和單個粒子,某些宏觀尺度下的多粒子系統也遵從量子力學規律。例如玻色—愛因斯坦凝聚(BEC,當原子聚合的溫度足夠低時,所有處于不同狀態的原子,會突然聚集在同一個盡可能低的能量狀態上,其行爲就像一個“放大”的玻色子,遵從量子力學規律。

我們按物理運動規律的不同,將遵從經典運動規律(牛頓力學,電磁場理論)的那些物質所構成的世界稱爲“經典世界”,將遵從量子力學規律的那類物質所構成的世界稱爲“量子世界”。“量子”就是量子世界中物質客體的總稱,它既可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子,也可以是BEC、超導體、“薛定谔貓”等宏觀尺度下的量子系統,它們的共同特征就是必須遵從量子力學的規律。

舉一個例子說明“量子”與“經典”的本質區別,經典世界的特點是物體的物理量、狀態在某個時刻是完全確定的:晶體管要麽導通,要麽關閉,完全確定。即經典信息要麽是0,要麽是1,毫不含糊。但量子世界中,客體的物理量則是不確定的、概率性的,而且這種不確定性與實驗技術無關,是量子世界的本質特征,無法消除。這個特征體現在量子力學中重要的量子態疊加原理上。

量子態記作|ψ?|ψ?,是科學家引進量子力學中用來描述量子系統的狀態,其運動規律是薛定谔方程。

量子態又称波函数或几率幅,它没有任何经典对应。虽然人们并不喜欢量子世界的这种描述,因为它与我们所熟悉的经典世界截然不同,但一百多年来所有实验都证实了量子力學的所有预言,人们不得不承认这种描述是正确的。

量子十問|(一)量子究竟是什麽?

費曼

著名物理学家費曼说,“量子力學的奥妙之处就是引入几率幅ψψ”。

假定量子客體有兩個確定的可能狀態0或者1,通常寫成|0?|0?|1?|1?,由于量子狀態(寫成|ψ?|ψ?)是不確定的,它一般不會處于|0?|0?|1?|1?的确定态上,只能处于这两种确定态按某种权重叠加起来的状态上,这就是量子世界独有的量子態叠加原理,用数学表示为|ψ?=α|0?+β|1?|ψ?=α|0?+β|1?。其中ααββ爲複數,且滿足|α|2+|β|2=1|α|2+|β|2=1

量子信息以|ψ?|ψ?爲信息單元,稱爲量子比特。這從根本上區別于經典信息,後者以|0?|0?|1?|1?爲信息單元,俗稱比特。

正是量子態|ψ?|ψ?的種種奇異特性導致量子信息技術的性能可以突破經典的物理極限,爲人類開拓新一代的信息技術。
事实上,量子力學的所有奇异特性正是源于这个几率幅。当然,近百年来对量子力學争论不休也在于这个几率幅(量子態)。

目前,網絡上就在流傳什麽“量子肥料”、“量子水”等忽悠人的詞,將來還可能出現“量子炸彈”、“量子導彈”……這些忽悠大衆的名詞將本來應是光輝純潔的學術領域炒作得烏煙瘴氣,真假不分,魚目混珠。
其實,人們只要搞懂“量子比特”的本質,就可以戳穿“假量子”的騙局。簡單的判據就是看它是否應用到“量子比特”,即|0?|0?|1?|1?的疊加態。

例如,激光測距實驗,從目標反射回來的光束,其強度隨距離不斷衰減,當探測器無法探測到光時,就是最長的測量距離。當然,如果采用單光子探測器,則測量距離必然增長。

這裏測到的是單個光子,是否可以稱它爲“量子測距”呢?

答案是否定的,因为它没用到光子的量子態,这只是将激光测距提高到极限灵敏度而已,仍属于经典范畴。密立根当年在实验上测量单个电子的电荷,虽然采用单个电子,但这仍然属经典物理实验,因为在该实验中,“单电子”只是作为电荷最小单元,而未涉及到任何量子特性。

本文轉載自中科院量子信息重點實驗室郭光燦量子十問,观点不代表量子客Qtumist 立场。

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