量子從哪來
首先我們來看一個故事。物理學家貝爾有一位有趣的同事叫伯特曼，他有一個很奇怪的習慣：喜歡穿不同顏色的襪子。每隻腳上穿的襪子的顏色都是隨意的。但是兩隻襪子顏色之間總存在一個關聯，當我們看到他一隻腳上穿粉色襪子時，肯定可以得出他另一隻腳上的襪子不是粉色。這樣我們就可以通過對一隻襪子的觀察得到另一隻襪子的信息，而兩隻襪子之間是相互獨立的，它們顏色的關聯源於過去一個共同的原因，那就是伯特曼的決定。這或許是最簡單的了。
我們今天所講的量子是微觀物理世界的一種現象，其主體是微觀粒子。 1935年愛因斯坦和其助手發表了一篇EPR論文。正是這篇論文不經意間打開了通往量子世界的大門。EPR討論的是兩個微觀粒子的彈球遊戲。眾所周知，在宏觀世界中，兩個相互碰撞的小球在碰撞以後，我們在測量一個小球的位置和動量以後可以算出另一個小球的位置和動量。雖然這些信息之間存在相關性，但是兩個小球確實又是獨立的，即對一個小球進行測量不會影響到另一個小球。其相互之間的是有條件的，受空間限制和時間限制。
然而當這個彈球遊戲放到微觀世界後，這樣的相關性卻不是確定的，科學家們在實驗中發現兩個經過一定相互作用後分開的電子之間存在的是一種隨機的相關性。比如當我們測量兩個相互碰撞的電子時，會發現，其速度總是大小相等，方向相反，但其與初始位置之間的距離卻不相等，這顯然是矛盾的。這種隨機相關性無法完全由電子本身來解釋，也就是說這樣的相關性一部分來自於測量過程，也就是說測量過程改變了電子的位置。
如果這是正確的，那麼將說明我們在測量過程中，電子之間存在某種超越時空的緊密。至此，EPR論文顯示了其玄機：
微觀粒子的彈球和宏觀中的彈球存在區別。電子之間的隨機相關性可能預示著微觀粒子之間的這種效應。量子有很多神秘之處，譬如：的主體是什麼？是怎樣形成的？能被解開嗎？如何理解過程中的這種看似的超距作用？
愛因斯坦的矛盾
儘管EPR論文彷彿打開了量子的大門，但這卻不是愛因斯坦願意看到的。在他心中，世界是實在的，統一的。然而他的繼承者玻姆和貝爾卻意外發現這樣的微觀世界是不存在的。愛因斯坦對這樣的超距作用是不贊成的，他將其稱之為幽靈。雖然這樣的超距作用看似存在，但至今確實沒有一個實驗完全嚴格證明超距作用的存在，因為這些實驗或多或少都存在一些漏洞，這些漏洞目前主要有兩類，局域性漏洞（異地測量之間存在相關性），另一類是探測漏洞（探測器的粒子檢測效率不夠高，總有一定比例的粒子無法檢測到），儘管如此，但還是有大批量精確的實驗反覆證實了超距作用的存在。
波爾的互補性思想
當發現微觀世界和宏觀世界的矛盾後，科學家們都曾嘗試著從經典理論來解釋量子現象，但都以失敗告終。波爾的互補性思想是人們離開經典理論後對量子現象的第一次嘗試。我們熟知雙縫干涉實驗。在這個實驗中，每次發射的電子我們只能在探測屏的某個地方發現它，這表明電子是一種局域性的粒子；然而當大量的電子通過雙縫達到探測屏時，在探測屏上出現了
干涉圖樣，這表明了電子的非局域性，而具有某種波動性，這是我們所熟知的波粒二象性。但很顯然這是一種矛盾，粒子和波動兩種特性的矛盾。據此，波爾提出了互補性思想：粒子圖像和波動圖像是對同一個量子的兩種互補描述，不同的測量裝置得到的是微觀粒子的部分特性。波爾同時還指出：只有當指定測量裝置時，才能說一個電子是一個粒子還是一列波。然而波爾這樣的解釋並沒有從本質上理解量子的現象。那麼量子現象到底是怎樣的呢？
量子坍縮（不確定性）
量子坍縮作為一種描述和解釋量子現象的理論，把微觀世界的不確定性清晰地展現出來。同時通過薛定諤的貓引出了量子理論本身所存在的測量問題。
薛定諤的波函數可以較準確地描述微觀粒子的不確定性。波函數的幅度平方代表粒子的位置分佈密度。這個分佈密度是指測量時被測量到的概率密度。這樣的解釋彷彿又回到了波爾的“言必談測量”。後來這個測量問題被馮諾依曼準確表述出來。馮諾依曼指出，波函數是對粒子的狀態的某種描述，而不是對測量結果的描述。他提出波函數的兩種狀態變化過程：一種是波函數的連續演化過程，遵循薛定諤方程，這個演化產生了微觀粒子的似波特性，是不確定性的演化過程；另一種是瞬時的，非連續的波函數坍縮過程，只在波函數被測量時發生，這個演化產生了微觀粒子的似粒子特性。 但這個坍縮的過程機制並沒有被證實，後來被稱為波函數的坍縮假設。這兩個過程將建立和揭開。
我們舉個例子：假設一個電子沿z方向的自選狀態為疊加態|↑z>+|↓z>,表示電子沿z方向的自旋狀態是不確定的，並且處於向上和向下狀態的可能性是相同的。當這個電子未被測量時，他的演化遵循連續的薛定諤方程。先用一個測量儀器對其進行測量，儀器的初始狀態為|0>。由馮諾依曼的描述，整個系統演化仍然滿足薛定諤方程，測量儀器與電子狀態將發生，過程為：
(|↑z>+|↓z>)|0→|↑z>|+1>+|↓z>|-1>
由此可以看出當測量過程結束後，測量儀器並沒有獲得確定的測量結果，並且其狀態也變得不可確定。這裡有一個值得注意的問題就是量子測量問題。這個問題的關鍵在於誰有資格成為測量者，如果上述測量儀器有，那麼上述演變過程將會發生波函數坍縮，描述為：
|↑z>|+1>+|↓z>|-1>→|↑z>|+1>或者|↓z>|-1>
這樣測量結果是確定的。波函數的坍縮結果是隨機的。出現的概率與其相對應的波函數分支的幅度平方成正比。可以看出，波函數的坍縮解開了測量儀器和被測電子之間的量子。
然而這種坍縮理論只是一種假設，其發生的機制尚不清楚，科學家們也對這種坍縮理論做了各種研究，希望可以揭開坍縮的面紗。
薛定諤同樣對波函數的坍縮問題感到頭疼，他用一隻貓將這個問題表述出來。不確定性問題似乎也表現在宏觀世界中。量子力學的規律無法解釋宏觀世界的存在。由此可見，量子力學也是一門不完備的理論。對此，愛因斯坦和薛定諤的論證方向不一樣，愛因斯坦論證集中於波函數描述的不完備性，薛定諤則集中於波函數的演化過程的不完備性。薛定諤嘗試著對波函數的坍縮找到物理描述和說明來完善量子力學。
目前，物理學家們仍然在對波函數的坍縮問題進行著深入的研究。儘管波函數坍縮還沒被完全解釋，但我們已經認識到，這個過程是動態的，並非瞬時完成的；這個過程對宏觀物體和微觀粒子都在不斷地進行。
超光速（超距作用）
我們都知道物體之間存在萬有引力，但這種力的作用是如何施加到物體上的呢？這個牛頓無法解釋。在連續運動的框架下，這樣的超距作用是說不通的。由連續運動圖像，任何作用和影響都是經由空間連續傳播的，在時空中可描述；而超距作用則本身具有一種瞬時性和不連續性，在空間中無法描述。因此可以說超距作用和連續運動是兩種本質不同的過程。相對論有兩條最基本的假設，即相對性原理和光速不變原理。這都是針對連續運動而言的。在相對論的框架下，不可能存在超光速和超距作用，否則將會導致因果迴路，產生一連串邏輯矛盾。
然而在量子理論中，波函數的坍縮是同時的，這就會導致非定域性和超距作用的存在。貝爾不等式和貝爾定理是理解這兩點的關鍵。至今，人們已經進行了大量實驗證明貝爾定理，儘管這些實驗都存在漏洞，但實驗結果彷彿正證實著量子理論的預言。至此我們可以看到了量子力學和相對論的不相容性。
儘管量子理論顯示可以存在超距作用，但目前的量子理論禁止使用量子非定域性來實現超光速信息傳遞或超距通信。這是由於科學家普遍給出一個證明的結論：單個未知波函數（量子態）不可能被完全測知，同時也無法區分任意給定的兩個非正交波函數。
然而，量子理論還在不斷髮展。科學家構想了雙貝爾實驗，證實了波函數坍縮過程的同時性和單向光速各向同性不可能同時滿足相對性原理。它們的結合必將導致邏輯上被禁止的因果迴路。於是必然存在一個由波函數的非同時性或者單向光速各向異性所選擇出的絕對參考系。這個參考系中，波函數坍縮同時性和單向光速的各向同性可同時成立。一旦存在這種絕對參考系，那麼超距通信將不再導致因果迴路，也就是說它是被允許的。有科學家對量子力學進行非線性修正，加入意識的因素可以實現超距通信，這只是一個有趣猜想，超距通信，可能存在，也可能不存在。
量子的作用
至此，我們已經大致介紹了量子的內容，其不確定性和超距作用顯得如此神奇和難以理解，那麼量子究竟有什麼作用呢？
●隱形傳態
1993年3月，IBM的科學家本奈特在，美國物理學會的年會上首次宣佈了量子隱形傳態是可能的。根據量子理論，所有物體都是由相同的粒子組成的，而一個物體就是由組成它的所有粒子的量子態來描述。於是，假如我們在另一個地方利用其他相同的粒子可以重建這些組成粒子的量子態，那麼我們就在另一個空間得到了這個物體的精確拷貝。量子隱形傳態不通過中間空間，他是一種無實體的傳輸，被傳送的只是信息，不是物質和能量。
●量子計算
1994年，在第35屆計算科學基礎年會上，貝爾實驗室的科學家索爾提出一種分解大數的快速量子算法。我們知道，微觀粒子可以處於一種量子疊加態中，形象地說，粒子可以同時處於兩個位置，可以同時通過雙縫，也可以同時做不同的事情，也就是說粒子可以一邊工作，一邊休息。這樣的並行性可以用於計算，節約大量的時間。例如對於一個400位的密碼數字進行因數分解，使用目前世界上最快速的巨型計算機也需要花費幾十億年，而若用量子算法來做，時間將縮減到幾個小時甚至幾分鐘。
●量子計算機
我們知道，對於經典的bit位，要麼是0要麼是1，而相對應的量子比特可以同時為0和1，這樣利用量子比特進行存儲可以大大節省內存空間。比如：存儲0到2^30-1之間的數需要1G的經典內存，而對於量子計算機，只需要30個原子即可。量子計算機在節省存儲空間的同時，也可以進行快速搜索。1996年，貝爾實驗室科學家格羅弗找到一種量子檢索方法，可以在量子數據庫中快速地檢索信息。例如：
在一個存儲了全球電話號碼的數據庫中檢索一個人的號碼，“深藍”超級計算機將花費幾十個月的時間，而使用量子搜索算法則只需幾十分鐘。●量子密碼
我們可以將量子態作為秘鑰並通過量子通道進行產送。我們知道，竊聽者基本策略有兩類：一是通過所傳輸的量子態進行測量，從測量結果中獲取信息，然而由量子力學規律，一個未知的量子態是無法完全被測知的，而且還會破壞量子態甚至波函數的坍縮；二是避開量子測量而採用量子複製來複制傳送的量子態，但量子不可克隆將會導致這一方案的失敗。因此量子密碼原則上可以實現不可破譯、不可竊聽的保密通信。
編譯來源：
作者：白玉晶 徐佩奇 趙永成 本文轉載自:電子伊甸園
