我們能做出量子計算機 量子力學(xué)就在我們身邊

量子力學(xué)對人類來說，仍然是一個巨大的“黑箱”，目前量子力學(xué)很多的“詮釋”都只是對“黑箱”所呈現(xiàn)出來的這些事物規(guī)律做一些“說得通”的詮釋，所以每一種量子力學(xué)詮釋，都有各自缺陷。

最近幾天，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100萬億倍的新聞刷屏。

雖然生活中、新聞里經(jīng)常會聽到量子力學(xué)這個詞，但很多人到現(xiàn)在都不清楚量子力學(xué)究竟是一門怎樣的學(xué)問。

量子不是一個實體

一聽量子，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(xué)家普朗克提出。1900年，普朗克在研究“黑體輻射”的時候，提出一個假說：能量的傳輸不是連續(xù)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(dāng)時是一個顛覆性的概念，因為在經(jīng)典物理學(xué)里，人們一直認(rèn)為能量的傳輸是連續(xù)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(jīng)典物理學(xué)，所以在該假設(shè)提出之后的10余年里，普朗克一直試圖尋找各種方法來解釋輻射能量的不連續(xù)性現(xiàn)象，但最終歸于失敗。

1905年，愛因斯坦在普朗克研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)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(shù)學(xué)證明，證明存在所謂的“光量子”。

在此之前光作為一種波，已經(jīng)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(jié)論落下了帷幕。而后人們發(fā)現(xiàn)，不單單能量和光存在這種量子性，包括電子等其他微觀粒子，也存在這種“量子性”。

量子力學(xué)最早就是研究為什么微觀粒子會呈現(xiàn)這種“既是波，又是粒子”的神奇現(xiàn)象。

量子力學(xué)就在我們身邊

那么，有人會問：研究量子力學(xué)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(xiàn)首先要感謝的就是量子力學(xué)。正是得益于量子力學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域獲得的突破，美國斯坦福大學(xué)的研究者尤金·瓦格納及其學(xué)生弗里德里希·塞茨才能在1930年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的性質(zhì)——可同時作為導(dǎo)體和絕緣體而存在。在晶體管上加電壓能實現(xiàn)門的功能，以控制管中電流的導(dǎo)通或阻斷，利用這個原理便能實現(xiàn)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，基本都是在量子力學(xué)基礎(chǔ)上才得以構(gòu)建的，如果沒有量子力學(xué)就不會有芯片、計算機，乃至我們當(dāng)前五花八門的電子產(chǎn)品?，F(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)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(xué)脫不了關(guān)系，同時現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的大多數(shù)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(xué)的基礎(chǔ)上才得以實現(xiàn)的。

展望未來，如果通用量子計算機得到了廣泛應(yīng)用，那么整個社會方方面面都會受到影響。

中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦教授接受媒體采訪時表示，醫(yī)療方面，我們生產(chǎn)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處理的速度如果使用量子技術(shù)的話反應(yīng)能力就更快，性能就會提高;農(nóng)業(yè)方面，量子計算機出來后，可以研究清楚光合作用是怎么回事，有科學(xué)家預(yù)言，如果這個應(yīng)用研究成功了，太陽能的利用會從現(xiàn)有的10%提高到20%—30%，農(nóng)業(yè)會出現(xiàn)跳躍式發(fā)展。

對量子力學(xué)的多種詮釋

雖然量子力學(xué)幾乎構(gòu)成了當(dāng)前包圍我們生活的各式各樣電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)科學(xué)理論，但量子力學(xué)對于人類來說，仍然是一個巨大的“黑箱”。

量子物理學(xué)中的一些現(xiàn)象看起來“毫無章法”，有的似乎完全說不通。所以物理學(xué)家就基于客觀存在的現(xiàn)象規(guī)律，通過數(shù)學(xué)工具提出了一些解釋，來詮釋這些現(xiàn)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(xiàn)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(xué)告訴我們不能再用位置這樣的物理量來描述電子、質(zhì)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(xué)家引入了一個叫做波函數(shù)的數(shù)學(xué)工具。電子的每一個可能的位置都被稱為一個狀態(tài)，波函數(shù)給出了電子處于任何一種狀態(tài)的概率。

哥本哈根詮釋是量子力學(xué)的主流版本。它認(rèn)為，當(dāng)我們對波函數(shù)進(jìn)行測量時，除了一個特定狀態(tài)的概率外，其他所有狀態(tài)的概率都變?yōu)榱悖粶y量到的狀態(tài)概率變?yōu)?。這確保了電子有一個固定的位置，而不存在于其他任何地方。這種一個特定狀態(tài)的概率變?yōu)?，其他概率都變?yōu)?的過程被稱為波函數(shù)塌縮。但是我們無法知道波函數(shù)在哪里以及如何塌縮。波函數(shù)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(xiàn)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(rèn)為，波函數(shù)對電子位置的其他預(yù)測不但沒有消失，而且還全部發(fā)生了，只不過它們都發(fā)生在彼此不相干的世界里而已。這聽上去就像，如果你在這個現(xiàn)實里做了什么糟糕的決定，別擔(dān)心，也許在另一個現(xiàn)實中，你仍然可以獲得一個完美的結(jié)果。但這種詮釋也帶來了一個問題——它讓概率失去了意義。

導(dǎo)航波詮釋比較復(fù)雜，簡單說，導(dǎo)航波詮釋認(rèn)為，用以表達(dá)量子力學(xué)的波函數(shù)是有實體的，是一個叫作導(dǎo)航波的真實的波。粒子只是導(dǎo)航波上的“頂點”，然后被導(dǎo)航波帶著走。導(dǎo)航波詮釋與哥本哈根詮釋最大的區(qū)別是，導(dǎo)航波認(rèn)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(jié)果。

為了解決多世界詮釋在概率上的問題，一些科學(xué)家發(fā)展出了宇宙學(xué)詮釋。這種詮釋建立在永恒暴脹的背景下，它認(rèn)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(jìn)行實驗，而現(xiàn)實將會按照概率的比例進(jìn)行分裂。這樣一來，經(jīng)典概率就仍然存在意義。

除此之外，量子力學(xué)的詮釋還有量子貝葉斯主義詮釋、量子達(dá)爾文主義詮釋、交易詮釋、關(guān)系性詮釋等。

雖然對量子力學(xué)的詮釋都有缺陷，但這并不妨礙我們只通過這些詮釋，就能精準(zhǔn)計算出某些結(jié)果，并將此應(yīng)用到科技上，制造出可以實際使用的電子產(chǎn)品。對于量子力學(xué)來說，還有一些非常基礎(chǔ)和根本的部分等待著被發(fā)掘。