量子測量:「上帝」開始玩骰子了

2020-12-23 全球聯實業集團

說到量子測量,給大家的印象是:在量子世界,不論多少事情原則上只要有孫悟空的量子分身術,一下子變出千千萬萬個孫悟空,都可以輕而易舉地同時把它們都搞定,事實上不是這麼簡單的!量子計算機可以提高計算效率是有條件的,要對應於某些問題進行巧妙設計才行。到目前為止,人們找到的可以提高計算效率的例子也還局限於一些典型的問題。為什麼會這樣?這個問題關乎於量子力學的一個神秘特質:量子測量塌縮。

在經典力學,物體的狀態可以被精確測量,而且這個狀態測與不測一個樣,你測和我測也一樣。這個意境就像一首詩《見與不見》中描繪的那樣:「你見,或者不見我,我就在那裡,不悲不喜」。量子測量則完全不同於經典力學中的測量:有測不準原理限制精確的測量,物體的狀態會因測量和觀察而改變,測量結果還依賴於測量的角度和方式。量子測量中,「上帝」開始玩骰子了!以至於愛因斯坦作為量子理論的奠基人之一卻至死也不認同量子測量。然而直至今天,科學實驗一次又一次地表明:「上帝」真玩骰子了!

還用上次我們舉的例子:在火車上和在飛機裡的量子疊加態。測量之前你既在火車上也在飛機裡,但如果對你測量(比如有人對你GPS定位),你可能忽然掉到火車上也可能忽然掉到飛機裡,但最終你是掉到火車上還是在飛機裡是無法預知的(唯一知道的是你掉到火車上或飛機裡的概率)。

量子測量結果還強烈地依賴觀察測量的角度和方式。處於相同狀態的量子系統,最後的結果跟觀察的角度和方式有巨大的差別。如果觀察的角度不同,對於相同狀態,無論你觀察得多仔細,得到的結果永遠不同。這裡絕對是「仁者見仁,智者見智」。在量子信息學裡,人們就充分利用這一點,選擇合適的角度測量得到自己想要的結果,如果方式不對,你看到的永遠是另一面。

由此可見,換個角度看問題是何其重要!量子力學中,兩個共軛的物理量一起測量就必然有內在的不確定度,即使用再精準的實驗儀器也無法消除,這是量子力學測不準原理決定的。通俗地講,我們不可能對一個事物的方方面面都全面了解。量子力學告訴你,對其中的一方面知道得越全面,就意味著對另一個方面必然會了解得越模糊,這不是靠你觀察能力的提高所能避免的,這是量子力學原理決定的。

現在我們回到前面的問題:基於量子分身術為何不能解決所有事情?雖然量子疊加允許在無窮多的空間中並行操作所有的事情,但當要把辦好的事情拿去交差時,就需要你提取結果,就是要觀察測量。這時量子態就可能塌縮到一個空間去,這就意味著,只有你在塌縮後的空間中辦的事還留著,其餘空間經歷的事就像你夢中的事情一樣,醒來時已經無影無蹤,徒留一些傷感。所以對特定的問題需要人們巧妙地設計,並選擇合適的測量方式方可得到想要的結果。不然可能由於疊加相消,事倍功半。這似乎說很多人一起做事情,需要合理的分工和合作,否則效果反而比一個人還要差。

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