我们能做出量子计算机

却至今摸不透量子力学

2020年12月15日  来源：科技日报

量子力学对人类来说，仍然是一个巨大的“黑箱”，目前量子力学很多的“诠释”都只是对“黑箱”所呈现出来的这些事物规律做一些“说得通”的诠释，所以每一种量子力学诠释，都有各自缺陷。

最近几天，我国量子计算机“九章”处理高斯玻色取样的速度比目前最快的超级计算机快100万亿倍的新闻刷屏。

虽然生活中、新闻里经常会听到量子力学这个词，但很多人到现在都不清楚量子力学究竟是一门怎样的学问。

量子不是一个实体

一听量子，很多人会以为它跟电子一样是一个实体。其实，这个理解是错的。

量子这个概念最早由德国物理学家普朗克提出。1900年，普朗克在研究“黑体辐射”的时候，提出一个假说：能量的传输不是连续的，而是“一份一份”的。普朗克把这一份一份的能量称为“能量子”，也被人们称为“量子”。

这在当时是一个颠覆性的概念，因为在经典物理学里，人们一直认为能量的传输是连续的，不存在最小单位。由于这个假说太过于“叛逆”，简直颠覆了整个经典物理学，所以在该假设提出之后的10余年里，普朗克一直试图寻找各种方法来解释辐射能量的不连续性现象，但最终归于失败。

1905年，爱因斯坦在普朗克研究的基础上，认为光的传播也是“一份一份”的，并且爱因斯坦给出了极其充分的数学证明，证明存在所谓的“光量子”。

在此之前光作为一种波，已经被人们广为接受。在新的理论面前，光的波动说与微粒说之争以“光具有波粒二象性”的结论落下了帷幕。而后人们发现，不单单能量和光存在这种量子性，包括电子等其他微观粒子，也存在这种“量子性”。

量子力学最早就是研究为什么微观粒子会呈现这种“既是波，又是粒子”的神奇现象。

量子力学就在我们身边

那么，有人会问：研究量子力学到底有什么用呢？其实你正从中受益。比如，生活中你每天都离不开的电脑，它的出现首先要感谢的就是量子力学。正是得益于量子力学基础研究领域获得的突破，美国斯坦福大学的研究者尤金·瓦格纳及其学生弗里德里希·塞茨才能在1930年发现半导体的性质——可同时作为导体和绝缘体而存在。在晶体管上加电压能实现门的功能，以控制管中电流的导通或阻断，利用这个原理便能实现信息编码，可以编写一种1和0的语言来操作它们。

可以说整个半导体产业，基本都是在量子力学基础上才得以构建的，如果没有量子力学就不会有芯片、计算机，乃至我们当前五花八门的电子产品。现代互联网所代表的信息科技，包括原子钟、人工智能、5G、LED等都跟量子力学脱不了关系，同时现代医学的大多数成像工具和分析方法，如自旋磁共振、电子隧道显微镜等，基本也都是在量子力学的基础上才得以实现的。

展望未来，如果通用量子计算机得到了广泛应用，那么整个社会方方面面都会受到影响。

中科院院士、中国科学技术大学郭光灿教授接受媒体采访时表示，医疗方面，我们生产新药物的速度会大大提高，这是因为新药制造需要计算机模拟哪个配方是最有效的，使用电子计算机模拟非常慢，但量子计算机很快就能计算出来；人工智能方面，无人驾驶汽车传感器处理的速度如果使用量子技术的话反应能力就更快，性能就会提高；农业方面，量子计算机出来后，可以研究清楚光合作用是怎么回事，有科学家预言，如果这个应用研究成功了，太阳能的利用会从现有的10%提高到20%—30%，农业会出现跳跃式发展。

对量子力学的多种诠释

虽然量子力学几乎构成了当前包围我们生活的各式各样电子产品的基础科学理论，但量子力学对于人类来说，仍然是一个巨大的“黑箱”。

量子物理学中的一些现象看起来“毫无章法”，有的似乎完全说不通。所以物理学家就基于客观存在的现象规律，通过数学工具提出了一些解释，来诠释这些现象，试图让量子物理能“说得通”。但是由于我们并不知道这些量子现象背后的原理，因此这些诠释就有点像盲人摸象——对一个事物的描述存在多个版本，且都有缺陷。

量子力学告诉我们不能再用位置这样的物理量来描述电子、质子等粒子。例如，电子没有固定的位置。取而代之，我们用它们可能处于的位置来描述它们。为了表示电子处于某个位置的概率，物理学家引入了一个叫做波函数的数学工具。电子的每一个可能的位置都被称为一个状态，波函数给出了电子处于任何一种状态的概率。

哥本哈根诠释是量子力学的主流版本。它认为，当我们对波函数进行测量时，除了一个特定状态的概率外，其他所有状态的概率都变为零，被测量到的状态概率变为1。这确保了电子有一个固定的位置，而不存在于其他任何地方。这种一个特定状态的概率变为1，其他概率都变为0的过程被称为波函数塌缩。但是我们无法知道波函数在哪里以及如何塌缩。波函数描述的每一个可能的位置都有机会成为电子所处的特定位置。哥本哈根诠释实际上只是对量子不确定原理这个现象所做的描述，并没有实际探究这个原理。

多世界诠释有点类似科幻小说中最喜欢使用的“平行宇宙”概念。该诠释认为，波函数对电子位置的其他预测不但没有消失，而且还全部发生了，只不过它们都发生在彼此不相干的世界里而已。这听上去就像，如果你在这个现实里做了什么糟糕的决定，别担心，也许在另一个现实中，你仍然可以获得一个完美的结果。但这种诠释也带来了一个问题——它让概率失去了意义。

导航波诠释比较复杂，简单说，导航波诠释认为，用以表达量子力学的波函数是有实体的，是一个叫作导航波的真实的波。粒子只是导航波上的“顶点”，然后被导航波带着走。导航波诠释与哥本哈根诠释最大的区别是，导航波认为粒子的位置和轨迹是固定的，只是我们无法提前获取，只能观察到随机化的结果。

为了解决多世界诠释在概率上的问题，一些科学家发展出了宇宙学诠释。这种诠释建立在永恒暴胀的背景下，它认为，如果有无穷个宇宙，那么多世界诠释一定成立，因为有无穷个“你”正在进行实验，而现实将会按照概率的比例进行分裂。这样一来，经典概率就仍然存在意义。

除此之外，量子力学的诠释还有量子贝叶斯主义诠释、量子达尔文主义诠释、交易诠释、关系性诠释等。

虽然对量子力学的诠释都有缺陷，但这并不妨碍我们只通过这些诠释，就能精准计算出某些结果，并将此应用到科技上，制造出可以实际使用的电子产品。对于量子力学来说，还有一些非常基础和根本的部分等待着被发掘。