量子力学的真相 The Search for What Lies Beyond the Quantum

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爱因斯坦沿未完成的科学革命 当代物理学领军人李·斯莫林量子理论新见解 量子力学的真相 The Search for What Lies Beyond the Quantum

《量子力学的真相》封面

量子计算的原理有没有通俗的解释?

呵呵,这个问题真冷啊。这么少就来试着给你一个通俗的解释吧。

常规电脑的基本单位是二进位0和一位。这两种高和低两个等级反复通入,如门.或门.非门等逻辑电路,使初始的01011110………在逻辑电路中不断地进化,从而实现经典计算。

在传统的系统中,我们把0和1作为等级,然后,这个系统或者处于1或0。而量子系统则不同,在量子系统中,我们用量子状态表示0和1,并且量子状态是可以叠加的。例如,我们将态|a>表示0,态|b>表示1,则态|a>+|b>意味着0和1。

那么它的好处是什么?它的优点很多!例如,给你们两个同时0和1的量子位。如果将两个态再量子纠缠在一起,那么他们可能处于00.01.10.11状态。你们将这样一个量子比特通到逻辑电路中,等于同时完成00.01.10.11四组经典比特的计算。将三个量子位元缠结起来,这等于一次计算8位经典位元。若纠缠4个量子位,则等于16组。量子态是可以叠加的,因此一次量子计算就能对应许多经典计算,原则上可以实现指数级的运算加速,但是把许多量子位缠结在一起极其困难,因此目前技术上还存在许多障碍。

《量子力学的真相》目录

量子力学最恐怖的实验

1965年时,摩尔希望自己的经验法则能继续适用十年,但是这条法则却能继续有效。50年来,无论何时,当我们希望使自己的电子设备更加先进时,工程师们就开始研究16世纪的蚀刻艺术,并寻找一种更小的方法。但是,我们的电脑仍然是在时效期内处理广泛而复杂的问题。有些问题已经存在了(例如,接下来两周的天气怎么样?)有些是非常新颖的(例如,我刚合成的蛋白质是否会折叠成有用的分子?)。缩小大小不能满足我们无限计算速度的需要。最小值是0.05奈米,这是我们的构造机能够达到的最小原子。然而,当我们处在10纳米级别远远低于这个极限的时候,我们所熟悉的物理体系已经崩溃,另一套规则开始生效。

物理极限

按比例来看,一米和一毫米的差别就像是大地与弹珠。作为物理学的分支,量子力学试图解释组成物质和能量的每一个微小单元——原子、光子、电子等等。关于量子性质的最早理论著作,至少可以追溯到1877年,许多物理学大师波尔、普朗克、海森堡、薛定谔等人,都是从1877年开始的,才有了基本的发现,促使科学家用量子力学的方法来看待世界。但直到最近,我们才获得了这种能力:(1)实际观察到了这些物理学家所预言的量子性质;(2)在原子尺度上操纵物质。前一项已取得前所未有的成功。大约30年来,量子力学已经成为科学史上被证明最成功的理论:它所预言的就是我们的发现,我们已经能够洞察现实世界的最深层次。

后者的能力稍显粗糙。量子领域中最根本的问题是一切物质都具有波粒二象性。从宏观的角度来看,后一种可能被忽略,但是越深入到微观,难度就越大。想像一片波纹般的大海。即使你坐在一艘游艇上,你完全可以忽略他们;但是如果你在一艘皮艇上,这些波纹会把你打翻。

很有可能让芯片制造商有机会翻船的正是微粒的可能性特征,像那些通过晶体管的电子一样。在古典物理里,有些东西或者是不存在的东西。但是,电子、夸克、胶子等亚原子层次上,自然界的面貌是截然不同的。这些电子没有占据单独的位置。取而代之的是,它同时占据了所有可能的位置——当我们观察它时,它就停留在某处。在这个问题上,我们不能用牛顿的因果律来解释,但是从概率论上来说。大部分时间,这是在牛顿预料到的,有时却没有。

怪异的不确定因素与我们的经验和直觉背道而驰。一位对量子力学持怀疑态度的人,爱因斯坦曾说过“上帝不掷骰子”。(对于这一点,量子理论的拥护者波尔说:“爱因斯坦,不要再告诉上帝该怎么做了。)不过,一切事物的表现都是亚原子的。我们常常没有注意到什么怪事,因为,在任何特定的时刻,构成这本书的亚原子微粒(比方说),在一种难以想像的事情(例如,从你手里穿过等等)。但是有时我们可以从宏观尺度上观察到这样的怪异现象。最好的例子是太阳。按照众所周知的物理原理,它不应该在燃烧状态。

它的核心温度大约1500万摄氏度,远不及引发核聚变反应;而且太阳内氢原子所拥有的能量不足以克服使它们分离的排斥。但量子力学却不以为然:在这种温度下,氢原子融合是非常不可能的。当然,他们不能克服排斥障碍,把它们分开,但是,总是非常少见的氢原子会突然出现在融合的状态。太阳能中有这么多的氢原子,最大不可能发生的事就是经常发生——经常如此之频繁,足以使我们能够持续照亮天空。所以,即使太阳不会燃烧,它也会再次燃烧。

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