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第31页

书籍名:《1分钟物理》    作者:中国科学院物理所
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    这个过程叫作波函数的坍缩。
    但是请千万注意,波函数本身并不能被直接测量(能被直接测量的是它的模平方),所以它并不直接对应一个物理实在。因此,它的坍缩并不是那种真有什么可观测物体“轰的一声垮掉”的过程。说得准确一点就是,这不会产生任何可观测的效应。不能产生可观测效应,这自然就不能传递信息,于是也不违背相对论的限制(信息传播速度不能超过光速)。
    我们可以再说清楚一些。信息到底是什么?信息就是一种能够把一个大集合映射到一个小集合的有用的“知识”。比如,“物理所在保福寺桥”这句话就是信息,因为它把物理所从宇宙任何地方映射到了保福寺桥。再比如,“比赛赢了”也是信息,因为“输/赢”映射到了“赢”。
    我们来看一下纠缠态为什么不能传递信息。比如,我坐在天狼星里,想知道奥运会中国赢没赢,我心想,这隔着几光年呢,只能用量子纠缠看转播了。我跟地球那边已经约定好,我测到自旋向上就表示赢了,自旋向下就表示输了。既然波函数是瞬时坍缩的,我测一下我的自旋不就立刻知道输赢了吗?但问题是,地球那边并不能调控自旋是向上还是向下。地球那边测到什么自旋是完全随机的,而且这个随机性是量子力学自带的,没有任何办法消除掉。所以,虽然有约在先,但地球那边并不能操纵自旋的观测结果,所以我在天狼星上测到的自旋朝向并不能缩小“输/赢”这个集合,没有任何信息,只能乖乖地等八九年后光线传过来了。
    (最后再说一点,虽然波函数不对应真实物理,但纠缠效应是客观存在的。这个有贝尔不等式做证明。)
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    04.量子计算的原理有没有通俗的解释?
    哈哈,这个问题透着高冷啊。那么小的就来尝试着给您通俗地解释一下吧。
    传统计算机的基本单位是二进制的比特0和1。实际系统中用高电平表示1,用低电平表示0,我们把这些高低电平反复通入与门、或门、非门这样的逻辑电路中,让初始的01011110……在逻辑电路中不停地演化,这样我们就实现了一次经典计算。
    在经典系统中我们用电平的高低来表示0和1,那么系统要么处于1,要么处于0。量子系统就不同了,在量子系统中我们用量子态来表示0和1,而量子态是可以叠加的。比如我们用态|a>表示0,态|b>表示1,那么态|a>+|b>就表示既0又1。这样有什么好处呢?好处太大了!比如给你两个既0又1的量子比特。把它俩的态再量子纠缠在一起,那么它们就有00、01、10、11四种可能的状态。你把这样的量子比特通入逻辑电路中,相当于同时做了00、01、10、11四组经典比特的计算。如果你把三个量子比特纠缠在一起,那就相当于同时做了8组经典比特的计算。如果纠缠四个量子比特,那就相当于16组。量子态是可以叠加的,所以一次量子计算就能够对应很多次经典计算,原则上可以实现指数级的运算加速,但把很多量子比特纠缠在一起极端困难,所以目前技术上还有很多障碍。
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    05.什么是量子比特?什么是量子干涉?为什么会有量子干涉?
    我们首先考虑经典的硬币问题,将正面的面积定义为1,反面的面积定义为-1,硬币正面法线方向和观测方向的夹角定义为θ。不难发现,这个硬币面积沿任意方向观测到的面积投影为cosθ。但是量子世界的硬币并不是这样的,在任何方向观测到的面积投影不是1就是-1,只存在这两个值,没有介于-1和1之间的值。然而,对多个同样的硬币进行观测时,平均值将趋于cosθ。这样的“量子硬币”就是量子比特。有人问,这怎么可能呢?可是这才是量子世界啊。
    量子干涉也并非量子世界特有的现象,干涉是所有波都具有的性质。只不过量子干涉的波不是可以直接看到和触摸到的,而是概率波,数学上用波函数表示,其模的平方表示找到粒子的概率。当我们计算两列概率波叠加找到粒子的概率时,要先将波函数加起来再平方,而不是直接计算概率(平方)的和。这样得到的多余的项是干涉效应的直接数学解释。
    我们没有回答为什么量子比特是这样的,也没有回答量子干涉的根本原因。但是科学家清楚如何精确地运用数学描述这一反常于直觉的现象。不过应当说,随机、纠缠、非定域等这些奇奇怪怪的特性正是量子世界的本质特点,与我们描述它的工具无关。
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    06.电子为何能从一个能级轨道跃迁到另一个而不经过两者之间的区域?
    首先,电子的跃迁是典型的量子力学效应。而一旦涉及量子力学,我们就需要抛弃很多经典的概念,包括经典粒子与经典轨道的概念。根据海森堡不确定关系,一个粒子不可能同时具有确切的动量和坐标,即没有轨道的概念。造成这种情况的原因,我们大概可以认为是微观粒子的波粒二象性,即微观粒子并不像宏观的粒子那样看得见摸得着,它同时也是一种物质波,所以经典的轨道概念并不适用于微观物理(当然宏观粒子也有波粒二象性,但是其波动性太弱,完全不用考虑)。所以,在量子力学中不同的能级并不代表不同的“轨道”,而是代表粒子具有不同的能量以及相应的波函数(波函数描述粒子在某点出现的概率密度,因此原子周围的电子会呈现出电子云)。电子的能级跃迁是指电子从一个能量本征态跳到另一个能量本征态,而并不需要从一个“轨道”跳到另一个“轨道”,只是跃迁后的电子云形状会有所改变。
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    07.让夸克带上颜色有什么意义?为什么引入色荷这个概念?色中性又代表了什么?
    这纯粹就是物理学家的心血来潮。首先,夸克这样的微观粒子是没有颜色的概念的。这么设定可能是因为恰好有三原色,三原色合在一起恰好又是白色吧。所以想象力丰富的物理学家们就借用了颜色,来表示夸克有三种色荷,三种色荷的三个夸克束缚在一起形成色禁闭,组成色中性的质子、中子等。
    (物理君感觉自己讲了个冷笑话。)
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    08.量子通信“绝对保密”应该怎么理解?
    量子通信中有一个很基本的定理叫作量子不可克隆定理。它的意思是一个量子态不可能复制成一模一样的另一个量子态而不对原来的量子态产生影响。
    窃听恰好就是一个复制过程:接收原始信息——窃听信息——将窃听到的信息复制再继续发送。
    在经典情况下,信息的发送者和接收者无法察觉信息在传输的过程中有没有经历过窃听,所以存在着泄密的风险。
    而在量子通信中,由于量子不可克隆,一个信息在传输途中遭到窃听,原来的量子态一定会发生改变,所以窃听者无法复制出一模一样的原始信息发送给接收者。这样接收者和发送者一核对马上就能发现信息遭到窃听的痕迹:发出端的量子态和接受端的量子态不一样。于是他们就可以及时地更换密文或者更换传输通路,实现通信的“绝对保密”。
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    09.能不能用通俗的语言描述量子力学和相对论的矛盾点?
    量子力学已经可以和狭义相对论相处得很好了,这里的矛盾主要指的是量子力学与广义相对论的矛盾,也就是引力理论与量子理论的矛盾。
    技术上,把引力强行量子化的时候会有不可重整化的困难,很多物理量会变得无穷大……
    观念上,量子理论中引力是相互作用,靠玻色子传播,广义相对论中引力是时空弯曲。
    广义相对论中时间和空间具有等价性,可通过洛伦兹变换相互转化。量子理论中时间是参数,空间是算符,时间和空间的数学结构都不一样。
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    10.量子是如何过渡到经典的?
    这个问题可以由不同的角度去理解。
    第一个角度是动力学方程的角度,量子的算符运动方程满足海森堡方程,进一步取平均值之后,我们可以得到平均值的动力学方程,这个经典的动力学方程是对应的,这就是所谓的Ehrenfest定理。
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