量子測量:「上帝」開始玩骰子了

2020-12-05 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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    根據量子力學理論,由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加,貓就理應處於死貓和活貓的疊加狀態。這隻既死又活的貓就是所謂的「薛丁格貓」。量子理論認為,如果沒有揭開蓋子,進行觀察,我們永遠不知道貓的死活,它將永遠處於即死又活的疊加態,這就使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理。一隻又死又活的貓違背人類的邏輯思維。
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    撰文 喬治·馬瑟(George Musser) 翻譯 韓冬上帝不擲骰子——愛因斯坦的名言中很少有哪句話像這句被引用得如此之多。人們自然而然地把這句名言當做是他斷然否定量子力學的證據,因為量子力學把隨機性看作是物理世界的內稟性質。放射性原子核的衰變是自發產生的,沒有任何定律能告訴你何時或是為什麼發生。
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  • 為什麼說「薛丁格的貓」是對上帝在擲骰子的最好論證?
    「薛丁格的貓」是量子力學裡一個非常著名的實驗,這個實驗的最初目的是為了論證量子力學的不可靠性,但是最後卻叛變,成為了證明量子力學正確性的重要實驗。但是「薛丁格的貓」這個實驗在現實也就是宏觀世界中是永遠無法實現的。這究竟是為什麼呢?
  • 愛因斯坦反對量子力學是誤解
    [摘要]「無論如何,我都確信,上帝不會擲骰子。」多年以來,愛因斯坦的話已經成了他反對量子力學及其隨機性的標誌,但人們其實誤解了他。哥本哈根學派把觀察到的隨機性看作量子力學表面上的性質,而無法做出進一步解釋。大多數物理學家接受這種說法,僅僅是因為心理上的「錨定效應」:這個解釋已經足夠好了,而且是最早的一個。雖然愛因斯坦並不反對量子力學,但他肯定反對哥本哈根詮釋。他不喜歡測量會使得連續演化的物理系統出現跳躍這種想法,這就是他開始質疑「上帝擲骰子」的背景。
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  • 看此文,你會明白愛因斯坦關於上帝不擲骰子的思考,是多麼重要啊
    尤其是對於愛氏關於量子力學觀點的認識很客觀。充分說明了愛氏的時空是值得的。我在量子力學科普書籍《見微知著》中,也基本站在愛氏這邊。認為世界是確定!今天就不分享我的分析了。大家看看下面的文章吧。非常不錯。本文首發於南方周末「無論如何,我都確信,上帝不會擲骰子。」多年以來,愛因斯坦的話已經成了他反對量子力學及其隨機性的標誌,但人們其實誤解了他。
  • 愛因斯坦:「上帝不會擲骰子」玻爾:「你別指揮上帝該怎麼做!」
    「上帝不會擲骰子」這句話最早在出現在1926年愛因斯坦寫給波爾的一份信中!但是被眾人所熟知卻是在1927年比利時布魯塞爾召開的第五屆索爾維會議上,這屆索爾維會議被稱為史上最著名的一屆。哥本哈根詮釋的最基本原理就是不確定性原理、波函數塌縮、互補性原理,這種解釋就好像擲骰子一樣,在骰子落地之前,我們不可能確切地知道投出的到底是幾點,也就是投出骰子的六個面中,哪一個面朝上是隨機出現的,只有當骰子落地後,我們才能知道這次擲骰子事件到底投的是幾點!
  • 愛因斯坦的骰子,薛丁格的貓,你真的懂嗎?
    愛因斯坦放出狠話:「上帝不擲骰子!」這句話已經成為了流傳後世的名言,但是就像薛丁格的貓一樣,被大部分人所誤解。愛因斯坦反對量子力學嗎?如果愛因斯坦是全盤否認量子力學,他當初就不會利用光量子假說來解釋光電效應。實際上,愛因斯坦只是對於量子力學中的一些說法比較反感,比如測量會改變量子狀態這種事,其集中表現就在於一點——疊加態的坍縮。疊加態到底是什麼意思呢?我們一會再說。大家暫且還是按照自以為的原理來理解,我們繼續把故事說下去。
  • 愛因斯坦臨死前留下這樣一段話,琢磨不透,發現量子糾纏的真相?
    大家好,歡迎收看量子科普第39期,我是常常,今天和大家聊一聊關於愛因斯坦臨死之前說的那句話,是否他真的發現了量子糾纏背後的真相呢?眾所周知,愛因斯坦是一個有神論者,愛因斯坦相信上帝的存在,他堅信這宇宙萬物的運行都是有規律可尋的,而這些規律是由上帝創造的,可量子力學的出現似乎對於愛因斯坦這種認知觀產生了衝擊,尤其是量子領域中的量子糾纏現象(以兩顆向相反方向移動但速率相同的電子為例,即使一顆行至太陽邊,一顆行至冥王星邊,在如此遙遠的距離下,它們仍保有關聯性),這種現象直接衝擊了愛因斯坦相對論中闡述的光速是宇宙中最快速度的定論
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  • 量子領域,存在兩大科學無法解釋的現象,愛因斯坦稱它是鬼魅作用
    大家好,歡迎收看量子科普第38期,我是常常,今天和大家聊一聊關於在量子領域中科學無法解釋的兩大現象。量子力學從20世紀初創立到現在已經有100多年的歷史了,但是從量子力學誕生的那天起就一直飽受科學界的質疑,因為微觀量子領域所反應的諸多現象仿佛都是隨機的、沒有絲毫規律可尋的,也是無法用現有的任何科學去解釋和證明的,一些科學家稱量子力學是詭異學術,著名物理學家愛因斯坦也不相信量子力學,愛因斯坦諷刺道:上帝是不會擲骰子的。