2021年05月15日 星期六
薛定谔的猫,既死又生?
第13版:量子力学就在身边 2021-01-11

薛定谔的猫,既死又生?

整理|陈 冰 绘制|刘绮黎

物理学四大神兽分别是缩地成寸芝诺龟、预言先知拉普拉斯兽、扭转时空麦克斯韦妖和超越生死薛定谔的猫,分别对应着微积分、经典力学、热力学第2 定律和量子力学。芝诺的乌龟时空双修能缩地成寸,拉普拉斯兽明察大道推演万物,麦克斯韦妖操控万物逆转阴阳,薛定谔的猫能制造宇宙超越生死。这四大神兽亦正亦邪,它既给聪明的科学家带来困扰,也给企图进化成神的人类指明了道路。

今天,就让我们来认识一下这只既死又生的薛定谔猫。

什么是量子?

经典世界

牛顿力学、电动力学、确定、规律

量子

不确定、概率、随时变化、无法预知

量子这些神奇的特性,可不是花拳绣腿,世界各地的科学家们正在深入研究,希望利用量子这种特性,研发出各种各样的量子器件,为我们服务。

中科院院士、中科院量子信息重点实验室

郭光灿:

凡是运动规律遵从量子力学那些客体,统统叫量子。量子会给我们很多新奇的体会,这些量子世界和经典世界所不同的所有的性质,我们统统叫它量子性。比如说不确定性、概率性,还有量子纠缠、量子不可克隆等等。

量子器件

量子计算机、量子存储器、量子液晶管、量子阱激光器、量子效应器件

量子的三大神秘特性

叠加

薛定谔,量子力学的奠基人之一。他发现了量子力学中最核心的方程——薛定谔方程,从而获得了1933 年诺贝尔物理学奖。也正是通过这个方程,物理学家们发现在量子的世界中粒子是可以同时存在于很多地方。著名的“薛定谔的猫”处于50% 生和50% 死的叠加状态就是源于这个道理。

实验大概是这样的,把猫放进一个不透明的盒子里,盒子连接到一个包含放射性原子核和有毒气体的实验装置中。如果原子衰变了,毒气瓶会被打破,盒子里的猫会被毒死。要是原子核没有衰变,猫就好好活着。

根据量子力学理论,原子核处于衰变和未衰变的叠加态,所以这只猫就进入了一种“既生又死”的状态……

量子计算机就是利用这种同时处于开和关的叠加状态而设计出来的。它的基本元件构成的开关可以既是开的,同时也是关的,从而让计算能力呈指数级增加。

测量

海森堡不确定性原理。海森堡指出,在微观世界里,根本无法同时测出物体的位置和动量。也就是说,我们不可能同时将微观世界某个物体的位置和速度同时测准,因此也就无法精确地算出它们未来的运动情况。

据此推论,单个量子也是不可复制的。因为要复制单个量子,就只能先做测量,而测量必然会改变量子的状态。量子密码就是根据这个特性产生的。一旦有人窃听——量子被干扰了,就会发生改变。所以,量子密码的安全性非常之高。

纠缠

粒子1 变成什么,粒子2 也同时变成了什么。两者总是同步变化,这种现象就叫作“纠缠”,这样的状态称为“纠缠态”。处于纠缠态的两个粒子是一个整体,无论它们相距有多远,当你对粒子1 进行测量的时候,粒子2 同时发生变化,也就是我们俗称的“心灵感应”。

由于量子具有不可复制、不可再分、量子态一经测量就会发生改变的特性,这就可以定义未来的通信方式,让量子通信拥有绝不泄密的本领,远远超过现在的通信方式。

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