浅谈量子力学与量子思维

量子力学：不平凡的诞生预示了不平凡的神奇

——浅谈量子力学与量子思维

理学院物理系林功伟

量子力学自诞生以来，极大地推动了现代科学和技术的发展，已经深刻地改变了我们的生活方式。从电脑、电视、手机到核能、航天、生物技术，处处它都在大显身手，它已经把人类社会带入量子时代。但量子理论究竟带给了我们什么？这个问题，至今带给我们的仍只是无尽的想象。近年来，校长钱旭红院士，从改变思维的角度出发，在多种场合呼吁全社会要重视量子思维方式并加以运用，不久前又在“文汇科技沙龙”上，提议让“量子思维”尽早走入中小学课堂。那么，量子力学究竟是什么？

量子力学的诞生是一段波澜壮阔的传奇。它的发展史是物理学乃至整个科学史上最为动人心魄的篇章之一。不平凡的诞生预示了不平凡的神奇。在量子世界中，处事原则处处与我们熟悉的牛顿力学主宰的世界截然不同。在我们熟悉的世界，要么是波，要么是粒子。在量子世界，既是波也是粒子，既不是波也不是粒子，兼具波和粒子的特质，即波粒二象性。从而引申出量子叠加、测量塌缩、量子纠缠等种种神奇的现象。

量子叠加：鱼和熊掌亦可得兼

在经典的牛顿力学体系中，把粒子的运动都归结为确定轨道的机械运动。知道粒子某个时刻的运动状态与力的作用，就可以推断粒子的过去，也可以预知粒子的未来。就像一个算命先生，你告诉他生辰八字，他掐指一算就知道你的前世来生。在这种机械观下，仿佛一切都是注定的、唯一确定的。然而，在量子世界，一切都变得不一样。比如，有一天要从上海去北京，异想天开的你既想乘坐京沪高铁体验沿途的风光，又想搭乘飞机享受鸟瞰大地的感觉。我们习惯的方式是同

一时间我们只能选择其一，必须割爱其一。但在量子世界中你可以在火车上和飞机里共存量子叠加态上，鱼和熊掌亦可得兼。

这种量子叠加状态非常奇特。同一时刻，你既体验着高铁沿途的风光，也享受着飞机上鸟瞰大地的感觉，如果说同一时刻有两件事，但分别要求在火车上和在飞机里完成，量子叠加态的你完全可以神奇地一一照做。就像《西游记》中的孙悟空有分身术，同时一个上天一个入地。现在科学家们正利用这一原理来研制未来的量子计算机。量子计算机中的量子比特可以在无数的空间中量子叠加。它们并行地操作完成复杂的计算。已有研究表明这种量子并行计算确实可以在某些特定的复杂计算问题上大大提高效率。例如：一个400位的阿拉伯数字进行质数因子分解，目前即使最快的超级计算机也要耗时上百亿年，这几乎等于宇宙的整个寿命；而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机可能只需要几分钟。还有利用量子快速搜索算法，可能很快从一个大森林里找到一片叶子，或者在一个沙滩上找到一颗沙子。在量子世界，“大海捞针”已不再是没有可能的事，简直“易如反掌”。

量子叠加不仅可以是同一个物质在它不同状态的叠加，还允许不同物质的叠加，哪怕这两个物质是迥然不同类的。比如光和原子，前者是宇宙中最快的，一眨眼可以绕地球好几周；后者可以慢悠悠地停留在某处。如果让它们量子叠加一起会怎么样呢？有种叫电磁诱导透明的技术就可以让光和原子相干叠加。叠加后我们称之为暗态极子，它是半光半原子的混合体，就像希腊神话中半人半神的帕尔修斯，既具备人的情感，也具备神的能力。人们发现这种半光半原子混合体的速度是介于之间的，它既不像光速那么快，也不像原子慢悠悠停留在某处，它的速度取决于光在其中叠加的比重。人们通过调节这个比重就可以让光乖乖地慢下来，需要的时候还可以让光再飞奔起来。在运用上，光子相互作用很小，而原子之间容易产生大的相互作用。有趣的是：最近，我们研究小组通过合理设计可以利用原子的优点来弥补光子的缺点，设计出强的单光子相互作用。如果把这个过程提升到量子思维的话，不就是我们生活中的“取长补短”“协同合作”吗？而这个思维能力正是当代社会所迫切需要的。

量子测量：“上帝”开始玩骰子了

如果说到这里，也许给人的印象是：在量子世界，不论多少事情原则上只要有孙悟空的量子分身术，一下子变出千千万万个孙悟空，都可以轻而易举地同时把它们都搞定。事实上不是这么简单的！前面提到的量子计算机可以提高计算效率是有条件的，要对应于某些问题进行巧妙设计才行。到目前为止，人们找到的可以提高计算效率的例子也还局限于一些典型的问题。为什么会这样？这个问题关乎于量子力学的一个神秘特质：量子测量塌缩。

在经典力学，物体的状态可以被精确测量，而且这个状态测与不测一个样，你测和我测也一样。这个意境就像一首诗《见与不见》中描绘的那样：“你见，或者不见我，我就在那里，不悲不喜”。量子测量则完全不同于经典力学中的测量：有测不准原理限制精确的测量，物体的状态会因测量和观察而改变，测量结果还依赖于测量的角度和方式。量子测量中，“上帝”开始玩骰子了！以至于爱因斯坦作为量子理论的奠基人之一却至死也不认同量子测量。然而直至今天，科学实验一次又一次地表明：“上帝”真玩骰子了！

还用刚开始的例子：在火车上和在飞机里的量子叠加态。测量之前你既在火车上也在飞机里，但如果对你测量（比如有人对你GPS定位），你可能忽然掉到火车上也可能忽然掉到飞机里，但最终你是掉到火车上还是在飞机里是无法预知的（唯一知道的是你掉到火车上或飞机里的概率）。量子测量结果还强烈地依赖观察测量的角度和方式。处于相同状态的量子系统，最后的结果跟观察的角度和方式有巨大的差别。如果观察的角度不同，对于相同状态，无论你观察得多仔细，得到的结果永远不同。这里绝对是“仁者见仁，智者见智”。在量子信息学里，人们就充分利用这一点，选择合适的角度测量得到自己想要的结果，如果方式不对，你看到的永远是另一面。由此可见，换个角度看问题是何其重要！量子力学中，两个共轭的物理量一起测量就必然有内在的不确定度，即使用再精准的实验仪器也无法消除，这是量子力学测不准原理决定的。通俗地讲，我们不可能对一个事物的方方面面都全面了解。量子力学告诉你，对其中的一方面知道得越全面，就

意味着对另一个方面必然会了解得越模糊，这不是靠你观察能力的提高所能避免的，这是量子力学原理决定的。

现在我们回到前面的问题：基于量子分身术为何不能解决所有事情？虽然量子叠加允许在无穷多的空间中并行操作所有的事情，但当要把办好的事情拿去交差时，就需要你提取结果，即要观察测量。这时量子态就可能塌缩到一个空间去，这就意味着，只有你在塌缩后的空间中办的事还留着，其余空间经历的事就像你梦中的事情一样，醒来时已经无影无踪，徒留一些伤感。所以对特定的问题需要人们巧妙地设计，并选择合适的测量方式方可得到想要的结果。不然可能由于叠加相消，事倍功半。这似乎说很多人一起做事情，需要合理的分工和合作，否则效果反而比一个人还要差。

量子纠缠：“爱情”的力量让一切都变得可能

量子纠缠又是量子力学一个神奇的表现。处于纠缠的两个物体，它们之间的距离无论多么的遥远，它们都是一个整体。哪怕一个留在地球上，一个远在太阳系之外，当其中一个遭遇什么事情（例如量子测量），太阳系之外的另一方也会马上随之感应。处于量子纠缠的两个物体，就像电影里一对深深相爱的恋人，彼此心灵相通，他们远在天边却时时思念并无形地连着彼此。这种神秘的关联使得量子纠缠成为宝贵的资源。利用它可以完成你很多意想不到的事情，比如量子信息中的量子隐形传态，它有一个生动形象的英文名字“Quantum teleportation”，“Quantum”指量子，“teleportation”在英语字典就是“心灵运输”的意思。在量子隐形传态中，借助量子纠缠可以把量子态从一个地方传到另一个地方，即使发送的人对自己要传的东西一无所知。量子纠缠还可以用来发送安全的量子密码，这种密码就像恋人间的悄悄话，只有他们心领神会，别人却听不懂。还有量子纠缠还能实现超密编码，原本你只能拿起一百斤东西，爱情力量却让你拿起两百斤东西。还有量子纠缠可以实现测量式的量子计算……

总之，个人体会：从物理过程分析，量子力学看似诡异，因它与我们习惯的

方式格格不入；但从它的结果发现似乎又更加优化、更加合理。最近著名杂志《科学》报道，科学家发现了室温下光合作用中的量子机制，并证明这一机制帮助光合作用获得高效的转化效率。也许正是这种大自然巧夺天工的优化和合理才是我们学习量子力学时所要吸取的营养。这里只是个人学习得到的一点粗浅体会。最后，欢迎大家关注我们即将推出的公选课——《来自量子世界的新技术》，我们可以一起探讨和遨游神奇的量子世界。

个人简介林功伟，1981年生于福建福州，2011年中国科技大学、中科院量子信息重点实验室博士毕业，同年进入华东理工大学物理系工作。现在激光物理与量子调控研究室主要从事电磁诱导透明与腔量子电动力学相关的量子光学与量子信息研究。