量子测量:“上帝”开始玩骰子了

说到量子测量,给大家的印象是: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!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!

还用上次我们举的例子: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,就是要观察测量。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。