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薛定谔的猫、量子纠缠、和量子计算机

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薛定谔的猫、量子纠缠、和量子计算机

雪花又一年 2018-05-16 15:59:29 浏览659 评论0

摘要: 1927年索尔维会议,波尔、薛定谔、海森堡、迪拉克等都在 今天的高科技没有一样离得开量子力学。尽管量子力学在应用领域里是迄今为止最为成功的理论,但是从量子力学创立的那一天起,它的意义就一直在困扰着我们。

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1927年索尔维会议,波尔、薛定谔、海森堡、迪拉克等都在

今天的高科技没有一样离得开量子力学。尽管量子力学在应用领域里是迄今为止最为成功的理论,但是从量子力学创立的那一天起,它的意义就一直在困扰着我们。量子力学取得的成就无可质疑,但直到今天人们还无法确认它的真实意义。因为它动摇了物理世界的严格的因果律,而称随机性是这个世界的基石。

量子力学的创立者中,波尔和爱因斯坦、薛定谔等人关于波函数概率解释的争论从未停止过。为了保住物理世界的严格的因果性,爱因斯坦提出了有名的光箱理想实验。尽管该实验被波尔用广义相对论证明它并不成立。但爱因斯坦对物理世界的严格的因果性仍然确信不疑。

1935年,爱因斯坦和两位同事提出了有名的EPR佯谬。EPR和以前的思想实验不同,它可以被实验验证。波尔闻讯后,立即放下了手中的工作,全神贯注于EPR。很快,波尔就发现了EPR的问题,那就是他和爱因斯坦在量子力学思想基础的矛盾之处,玻尔认为,在没有观测时,不存在一个客观独立的世界。于是,EPR不再是佯谬,它最多只说明了,根据爱因斯坦的定域实在论,量子力学不完备。而玻尔的量子实在观里,量子力学是完备和自洽的。

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图片发自简书App

薛定谔的猫实验

EPR提出后,薛定谔大喜。受EPR的启发,他于1935年发表了一篇论文,文中他描述了那个有名的薛定谔猫实验。按波函数的概率解释,薛定谔的猫会处于不死不活的叠加态。薛定谔的猫同时是死的也是活的。这简直就是天方夜谭,完全不符合常识。薛定谔的猫实验让量子效应进入了日常生活,而且是我们的宠物猫的死活问题。

按波尔的说法,不单单是猫,任何事物只要我们不去观察,就处于不确定的叠加态。任何事物都不能免俗。有人这样讽刺波尔一派:“只要我们不看月亮,它就不存在”。人们无法接受猫会处于不死不活的叠加态,因为这与我们的经验相悖。要是用会说话的人代替猫,那又会发生什么呢?他也会处于不死不活的叠加态吗?科学史上有很多的有名的奇怪生物,芝诺的的乌龟、麦克斯韦妖、爱因斯坦的孪生子、和这只薛定谔的猫就是其中最有名的几个。薛定谔的猫是如此有名,甚至成了一首流行歌曲的歌名。

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贝尔

1932年,伟大的冯·诺伊曼把量子力学严格地公理化了。但他犯了一个简单错误,直到二十年后的1950年代,才被物理学家波姆发现。十年后,欧洲粒子研究中心的约翰・贝尔据此提出了一组简单的数学不等式,史称贝尔不等式。它能被实验验证,是数学美的典范。

1982年夏,法国物理学家阿斯派克的实验小组,第一次在精确意义上对EPR作出了检验,实验结果和波尔的量子力学预言完全符合,与爱因斯坦的预测差了5个标准差。贝尔推导不等式的初衷是捍卫爱因斯坦的定域实在论,没想到反倒成了证明波尔理论的利器。在更精密的实验中,人们进一步证明了量子力学的预言。阿斯派克的实验是物理史上最有名的实验之一,但其结果是意料之中的。因为,真实世界中,量子力学是有史以来最成功的理论,它的成功远超相对论和电磁理论,甚至超越了牛顿力学。

EPR还指出了超光速的可能性,且与狭义相对论不矛盾,因为它没有能量和信息的传递。这就是所谓的量子纠缠效应。建立在这一原理上的量子传输已经实现了。

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阿斯派克

基于量子纠缠现象,人们还提出了量子计算机的概念。今天的电脑,本质上都是图灵机。它读入数据,按算法处理数据,输出结果。因为量子是纠缠的,量子计算机的十个量子比特记录的不再是一个10位二进制数,而是2的10次方个二进制数。

1970年代就有人提出用量子比特来进行计算了。1982年,物理学家理费曼发现,用电脑模拟量子叠加时,计算量随模拟对象的增加指数式增长,传统电脑无法胜任。费曼指出,人们或许能反过来用量子过程来模拟计算。

1985年,德义奇用图灵的方法,证明了普适量子计算机的可能性。德义奇还证明了,量子计算机无法超越算法,即它也是图灵机。和传统图灵机不同,量子计算机是非决定性图灵机。德义奇还证明了,量子计算机非常高效,其运算复杂性比传统计算机低得多。量子纠缠是天然的并行计算。

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德义奇

量子计算机的并行机制让它能同时处理多个计算。1994年,贝尔实验室的彼得・肖提出了一种量子算法,把分解大数的难度从指数降到了多项式。1996年,贝尔实验室的洛弗・格鲁弗发现了一种数据库的排序搜索算法。把传统算法的复杂性降低了根号n次。量子算法有两大优点:一是任何传统算法,都有相应的量子算法;二是存在着传统算法无法模拟的量子算法。因此,传统算法必然会被量子算法取代。

最后说一句,我国在量子计算和量子通信领域里领先世界,潘建伟教授是该领域里的先驱者之一。



原文发布时间为:2017.08.13
本文作者:Jack老钱
本文来源:简书,如需转载请联系原作者。

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