迟疑不决，量子力学！遇事不断，量子计算！什么是量子？薛定谔的猫与量子力学又有什么关系？生活中有哪些量子力学的体现和应用的例子？量子计算怎么算，难在哪儿，谷歌实现的“量子霸权”又为何物？平行宇宙与量子力学有关吗，是否真的存在？关于量子的那些奥秘，欢迎在《理性派对 新科技发布厅》第9期揭开真相！

　　什么是量子？

　　吴宝俊：前一阵子量子波动速读记忆法的广告在网络上引起了热议，在生活当中我们也能够见到各种各样的带量子的产品。到底什么是量子？

　　曹则贤：在科学上，量子的西文Quantum这个词最早出现在数学家黎曼《论几何学的基础》，里边用了Quanta，也就是Quantum这个词的复数形式。从几何上建立小的单元或者量子的概念。

　　量子概念进入到物理这个学科是在1877年，建立统计物理的玻尔兹曼在一篇论文里面想重新得到麦克斯韦关于气体分布的公式，他假设气体分子的动能本身有最小单元，最小能量单元就是Energiequantum。 

　　量子力学这样一门学问首先是一门哲学，或是你看待物理世界的一个态度。因为当我们谈论小的事情或少的量的时候，要特别小心。比方说谈论人口的时候，一般人家家里有两口人或3口人，变成4口人或5口人，你就不能说他们家去年人口增加了8.1%。这么说就不恰当。

　　当我们谈小的数目的时候要特别小心。处理物理问题的时候，可能要采取完全不同的哲学，或者采取完全不同的计数方式。尤其是统计物理，要特别小心和注意Counting Manner——计数的方式。 

　　吴宝俊：刚才您说，量子其实是关于最小单元的哲学，生活当中有什么能体现这个观点的吗？

　　沈洁：比如说，激光怎么产生光呢？在原子里，电子从一个能级跳到另外一个能级，它会辐射出一个能量，这个能量对应的就是不同频率、不同长度的光。

　　激光它本身只有一种颜色，它对应的只是从一个能级跳跃到另外一个能级所产生的能量的光，所以我们能看到一种颜色的激光。因此，这本身就是量子化的一个非常好的标准。

　　吴宝俊：可以翻译成一个通俗的例子：一个人下楼梯，从一阶楼梯迈到另一阶楼梯，不小心摔了一跤，甩出一个手机。

　　曹则贤：我常说的例子是，假如大家在2楼看风景，一不小心就掉下来一个人，这个人从高处掉到低处，多出的能量就把他的脚崴了，崴脚的时候就会发出一声尖叫，发出的尖叫可用来类比电子从高能级落到低能级的时候发出的光子。

　　如果这个光子本身频率或者颜色都是单一的，方向是一致的，并且相互之间形成的相位或者说时空距离有某种内在联系的，这样形成的一束光就是激光。

　　量子力学是怎么来的？

　　吴宝俊：量子力学到底是怎么诞生出来的？

　　沈洁：量子力学出现是因为科技已经进展到一定程度。经典力学和量子力学只是适用的尺度不一样。其实量子力学那套也可以适用于宏观物体。

　　这就涉及到波粒二象性，宏观物体它也是有波的，但是这个波跟质量、能量是成反比的，所以涉及到到宏观物体，人的质量比较高的时候，它的波长是短很短的，量子信号太微弱了，所以我们就探测不到。

　　但这个时候，如果我们把一个东西慢慢变小，尺度上变小或者说能量上变小，它的波长就越来越大，后来我们观测到了。比如说，尺度上到纳米级别、微米级别我们称之为微观，它的量子信号就比较强烈。

　　如果想要观察这些信号，有时候得采用一些方式把能量给降低。比如说，用量子计算我们就需要降温的一个过程。早期通过科技的手段我们只能观察一些宏观的，我们就能看得到摸得到的这些东西的数据和实验，所以我们有经典力学。后来科技发展到一定程度，我们可以去观察原子级别的、电子级别的一些信号，量子力学就诞生了。

　　吴宝俊：你能看到更小的东西，而这些更小的东西的行为和通过原来的规律所了解到的完全不一样，这个时候才有新的理论产生。

　　沈洁：但其实并不是完全不一样，它只是一个缓慢的过渡而已。

　　从“薛定谔的猫”谈量子跃迁与量子纠缠

　　吴宝俊：刚才聊了量子力学的过程，那么自然而然就引出“薛定谔的猫”，一个非常经典的实验。首先我们有一个盒子，人在关上盒子的时候，外界不可能通过任何的方式探知盒子里面到底发生了什么事情。

　　紧接着我们往盒子里面丢一个放射性的原子，在一小时之内放射性的衰变的概率大概是1/2。 然后往里面放一个盖革计数器，一旦它衰变了，我们就能探知衰变了。盖格计数器下面接一个锤子，锤子底下放一个瓶子，瓶子里面装上剧毒的氢氰酸。

　　这个时候我抓一只猫丢进去，盖上盒子的门。过一个小时，问你这里面的猫是什么样的状态？很多网民纳闷，这能是什么状态？不是死的就是活的。它背后到底有什么物理上的玄机？

　　曹则贤：这个概念出现在薛定谔1935年的文章里。原文想表达的是，当量子力学出来的时候，如果相对于经典力学有所谓革命的话，一个关键词就是波函数。此前，波函数在经典力学里是不存在的。波函数所带来的关于电子从楼上往下跳楼所描述的“量子跃迁”就属于微观世界。

　　那时候大家还并没有完全理解量子力学。这里就有一个诠释的问题，跃迁的电子什么时候从上往下跳？按照量子力学的说法，它是概率性的，有可能跳也可能不跳，什么时候跳不知道。

　　沈洁：这就涉及到几个基本概念。比如说，为什么猫不能又死又活？因为猫是一个宏观物体，它不是在一个量子叠加态上。如果我们要有一只猫能又死又活，必须得把猫缩到原子这个级别。

　　为了形象一点，就拿宏观世界当中能够有形象的物体猫去做一个比喻，实际上它只对应的是原子世界里面原子的两个状态的叠加。

　　吴宝俊：原子状态可以是a或者b，但是在测量它之前，它可以同时是a或者是b。你不知道，只有在测量的时候，你才知道。 

　　沈洁：还有一个概念，假如最后你打开盒子，让它变成一种状态——要么是死要么是活的这种状态，它描述的是一个物理的过程。我们去测量的时候，一旦这个微小的独立的系统跟外界有有相互作用了，它就要塌缩成经典态，专业术语叫做退相干过程。

　　当时开一次可能是只有一种状态，但假设我们现在开100次或者1000次，它很有可能一半的数量是活的，一半的数量是死的，因为当时在叠加态上存在几率的问题。所以，多次统计以后，还是能够回过来推导，它其实是符合量子的叠加态的。

　　吴宝俊：“纠缠态”这个词在“薛定谔的猫”这个实验中到底是什么意思？

　　曹则贤：“纠缠态”也是薛定谔提出来的。

　　沈洁：简单来说，一个“叠加态”就是叠加在两个态状中间，相当于线性代数的加法。“纠缠态”就是把这个状态换成两个粒子。这两个粒子有叠加的状态。拿薛定谔的猫做对比，现在有两只猫，我们就规定一只猫只能有一种状态。所以，如果现在有一只猫是死的，另外一只猫就得是活的。

　　吴宝俊：我觉得这两只猫要都在那盒子里，要死就都死了。

　　曹则贤：就相当于一间屋子里面住两口子。这两口子日常生活一定是由他们俩的状态共同决定的，而不是由他们俩的状态分别决定的。

　　沈洁：这么说吧，现在在一起生活的并不是一对夫妻，因为夫妻是不一样的。现在在一起的是一对双胞胎。

　　曹则贤：或者说两人合租房子的，两个人可以互相不干扰，这就不叫“纠缠”，虽然两个人住在一间屋子里。