摘要：艾伦·菲迪安 (Ellen Phiddian) 剖析了量子物理学的复杂性，以便像她一样的新手能够理解它所蕴含的变革性技术。本文最初发表于 2024 年 12 月的《宇宙印刷杂志》(Cosmos Print Magazine)。
量子科学描述物质和光在原子和亚原子尺度上的行为，”国家量子战略的引言中写道。
原子、物质和光。很简单。但是：
该战略继续说道：“量子行为——特别是量化、叠加和纠缠——可用于构建原本看似不可能实现的先进技术。”
查阅量子化、叠加和纠缠，你会遇到一大堆复杂且相互矛盾的解释。量子科学一直以来都以难以理解而闻名，没有任何策略能够完美地阐述它。
“这是一个关于世界如何运作的非常精确的理论框架，”量子物理学家、悉尼大学纳米研究所所长斯蒂芬·巴特利特教授说。
“之所以说它棘手且在概念上具有挑战性，是因为非常精确的理论与我们基于直觉与世界互动的传统理解完全相悖。”
因此，为了理解量子科学，我们或许应该从一些旧的传统理解开始。
错误科学的问题在于，它常常让人感觉直觉正确。比如，我一直认为原子是微小的、不可改变的球体。这些小球相互作用，变成了分子，以及所有我能感觉到、看到和尝到的东西。
如果我集中注意力，我可能会想象原子内部有更小的球体——质子、中子和电子——但我没有深入探究。我知道这个模型是错误的，但它足以理解我需要和想要理解的东西。
量子物理学打破了原子、质子、中子和电子周围的空间，打破了数字与现实、形式与物质、事物与行为之间的界限。
昆士兰大学量子物理学家、澳大利亚研究理事会工程量子系统卓越中心主任安德鲁·怀特教授表示：“我们了解世界在长度和时间尺度上是如何运转的，但当世界变得非常小、速度非常快时，它的运转方式就不一样了。”
“那里有不同的规则，但我们对这些规则没有直觉。”
但这些违反直觉的规则却有效。
“这是我们目前掌握的关于世界如何运转的最成功的理论。我们对它充满信心。它具有很高的可重复性，”怀特说。
量子科学的最初核心出现于20世纪初。彼时，物理学家对引力、光和物质的规则非常自信。这些如今被称为“经典物理学”的规则适用于我们肉眼可见的一切——从笔从笔记本上滑落，到
木星的卫星。
物理学家们曾认为他们已经确定光是一种波。它源于能量源，就像石头掉进池塘泛起的涟漪一样。
其中一个比较成功的证明是托马斯·杨1801年的双缝实验。如果光线照射到一块有两条缝的平板上，它会在另一侧的屏幕上呈现出漂亮的条纹图案。
“如果我同时把两块石头扔进水里，我会得到非常有趣的图案，有些地方水面完全平静，而其他地方则会出现非常深或非常高的波浪。我们称之为干涉图样，”怀特解释说。
如果光是波，那么能量越大，波当然越大。把铁砧扔进池塘，比扔弹珠激起的涟漪还要大。但实验并没有证明光的波纹也是如此。例如，如果你用光照射金属，它会抛出电子。强度更高的光应该会在抛出的电子中产生更高的动能，但事实并非如此——它只会导致更多的电子被抛出。
马克斯·普朗克在1900年试图解释这一现象，他认为光波是以能量块的形式存在的：能量越多，能量块就越多，而不是波的体积越大。他把这些能量块称为“量子”，在拉丁语中意为“多少”。
阿尔伯特·爱因斯坦在他1905年发表的四篇轰动一时的论文之一中扩展了这一思想（另外三篇则致力于革新物理学的其他领域）。这一概念发展成为“光子”：光粒子。虽然光可以以波的形式存在，但它也可以以光子的形式存在——实验可以证明这一点。
杨氏双缝干涉实验示意图。干涉图样（蓝屏上的橙色部分）表明光可以像波一样运动。图片来源：Grayjay/Shutterstock。
在接下来的20年里，我们对原子有了更深入的了解。光子概念是尼尔斯·玻尔用来构建原子模型的一套工具的一部分，该模型包含内置的“能级”，电子围绕原子核旋转。他或许会把这些能级称为“块”或“量子”——这和原子核的概念是一样的，都是离散的。
玻尔1913年提出的模型是理解物质的一次飞跃：它成功地描述了电子在原子内部的行为方式。它与实验数据完美地吻合，适用于单个小原子，但它无法解释物质的其他观测结果，比如分子。人们又花了10年时间，不断出现矛盾，才最终理解其中的原因。
到了1925年，几位物理学家开始围绕同一个问题展开讨论：如果光波可以像粒子一样运动，那么反之亦然吗？像电子这样的粒子能像波一样运动吗？
是的。有很多不同的方法可以证明这一点，但有一种比较常见的：1927年，克林顿·戴维森和莱斯特·格默用电子束进行了双缝实验。
巴特利特说：“你可以根据经典物理学预测在墙的另一边会看到什么，那就是在一条狭缝后面会看到一堆飞溅物，在另一条狭缝后面也会看到一堆飞溅物。”
如果电子是粒子，你就会看到这样的结果。但是。
巴特利特说：“如果你真的用原子或电子来做这个实验，你所看到的与用光时看到的非常相似——干涉图案。”
“波粒二象性是指在纳米尺度上，我们通常认为是块状的物质可以像波一样运动，比如原子。我们通常认为是波的物质，比如光，也可以像块状一样运动，”怀特总结道。
“半导体、太阳能电池、20 世纪下半叶和本世纪上半叶的所有技术革命——都是量子物理学的一个部分，即波粒二象性。”
“要理解量子，对数学有很好的理解会有所帮助。”
有几种不同的方法可以将波粒二象性融入我们对物质的理解中。埃尔温·薛定谔在1925年写下了最成功的一个。它发表于1926年，现在被称为薛定谔方程：
每一个优雅的符号都代表着一些更为复杂的数学：微分、算子、导数......你可以解这个方程，但你不能用高中代数来解决它。
“我们习惯把数学作为我们的第二语言之一。要理解量子，对数学有深入的理解也会有所帮助。”怀特说。
对于我们这些学习这门语言的人来说，其中最重要的术语是ψ——希腊字母psi。在量子物理学中，ψ代表一种叫做波函数的东西。
“物理学家们甚至无法达成一致：它是现实的元素吗？它是真实发生的事情，还是仅仅是我们知识状态的描述？”怀特说道。他属于前者，而最近的诺贝尔奖得主安东·泽林格则属于后者。
“他得了诺贝尔奖，而我没有。那我知道什么呢？但我仍然认为我是对的。”怀特打趣道。
无论它的真实身份是什么，与ψ合作都能带来真正的成果。
“它告诉你系统出现在这里或那里的概率。但它没有告诉你系统一定会出现在这里或那里。这完全是概率问题，”怀特说。
求解给定系统的薛定谔方程，你就能预测该系统的性质。你可以了解电子在分子中可能的位置，从而了解分子的形状，或者了解半导体如何呈现半导体状态。任何带有晶体管的器件都在利用这种量子物理原理工作。
在过去的一个世纪里，我们已经非常熟悉粒子的波动行为。但这并不是薛定谔方程所包含的唯一概念。那些20世纪的物理学家们还做出了其他一些至关重要的观察，这些观察如今正从理论走向工程。
怀特说：“正是这些额外的能力推动了我们正在经历的所谓的第二次量子革命。”
那么现在什么事情正在引起波澜呢？
量子测量“当你拥有这些非常小的系统时，如果你观察它们，观察的行为就会改变你所看到的东西，”怀特说。
这一概念由维尔纳·海森堡于 1927 年提出的不确定性原理所阐明，具有非常实际的根源。
“想想观察某物意味着什么，”巴特利特提醒道。例如，在化学实验室里，你可能会观察到烧杯中的液体从无色变成了亮粉色，这表明发生了反应。
当你观察那个烧杯时，你实际上是在与它互动——光线在烧杯上反射，进入你的眼球。大量的光子给你的眼睛发出“粉色”信号。
如果你研究的是光子本身呢？或者电子，或者其他同样微小的粒子呢？你可以用更精密的设备来代替肉眼观察，但最终还是需要某种东西进入探测器才能知道发生了什么。
“这就是量子化的概念：你不能随心所欲地让光线变暗。在某个时刻，你实际上是在用一个光子（也就是一个光粒子）照射物体，你不能让光线变暗。”巴特利特说。
在双缝实验中，我们知道电子的行为像波，因为它们撞击屏幕另一侧的方式。但当每个电子撞击屏幕时，它都是以离散的、类似粒子的点的形式进行的。研究单个光子或电子，虽然你知道它具有波的行为，但撞击探测器会得到一个单独的值。
“这是我们和学生们一起做的一个有趣的练习。想想其他可以偷偷观察或推断量子系统的方法，”巴特利特说。
“最终，你总是会进行某种形式的互动。”
叠加薛定谔方程和测量的不确定性都引发了叠加的想法。
怀特说：“叠加态是指——我不想说事物可以同时出现在两个地方，但你无法知道事物在哪个地方。”
“你必须把它当做可以同时出现在任意一个地方一样对待。”
薛定谔可能写出了支撑大部分量子力学的方程。
但如果你认出他的名字，很有可能是因为他于 1935 年提出了一个故意愚蠢的挑衅，以强调叠加的荒谬性。
薛定谔的猫是一个思想实验：想象一只猫被困在一个盒子里，盒子里装着一瓶毒药和一种放射性物质，这种物质可能会衰变，也可能不会衰变。如果衰变发生，就会触发盖革计数器，击碎毒药瓶，杀死猫。
放射性物质是一个量子对象：你可以用薛定谔方程来计算它，并得出它会衰变和不会衰变的答案——在观察到它之前你不会知道是哪种情况。
这对这只可怜的猫来说意味着什么？
物理学家们对这一悖论提出了各种各样的答案，但没有一个得到普遍认可，也没有一个完全令人满意的答案。猫的问题暗示了量子
科学意义中更大的问题。但是，假设叠加态，即两种可能性在测量之前都可能成立，我们仍然可以得到准确的答案。
薛定谔的猫思想实验。图片来源：Designua/Shutterstock。
纠缠当薛定谔构思他的猫时，爱因斯坦——以及鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森——正在试图破解量子科学，以此来审视它。1935年，他们三人发表了一篇论文，后来被称为EPR悖论。
他们在文中指出，所有这些量子计算得出的结论是，两个粒子可以相互作用，以至于它们的波函数无法分裂。因此，即使两个粒子相距甚远，测量其中一个粒子也能了解另一个粒子的情况。这违反了爱因斯坦的另一个公认的理论：物体的运动速度不可能超过光速。
薛定谔为了回应EPR悖论，创造了“纠缠”一词。关于纠缠是否不可能存在，曾有过激烈的争论——爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”，并用它来暗示量子理论存在问题——但物理学家们后来通过实验证明了它的存在。
怀特说：“纠缠是量子系统之间的关联，它确实违背了常识。”
“我无法给你提供一套简单的规则来告诉你这些系统是如何关联的。”
但我们知道它会发生——事实上，它已经在量子密码学中使用。
一对纠缠量子粒子或事件（左图和右图）在远距离相互作用的概念图。图片来源：Mark Garlick/Science Photo Library, Getty Images。
新的直觉“量子不是魔法，”怀特说。
它能做出奇妙、令人惊讶、引人入胜、威力无穷的事情，但它不是魔法。我们非常了解这些规则。量子的有趣之处在于，对于这些规则的含义，目前还没有一个普遍认同的解释。
含义不明确并没有阻止人们进行建造。
“我们知道它是如何运作的。至于它为什么会运作，这是一个非常有趣的独立问题，但我们不需要回答它，”怀特说。
翻阅国家量子战略，你会发现一系列不可能的技术：高功率传感器、超高速能量存储、可以精确计算新药如何与人体相互作用的计算机。
怀特说：“我们非常肯定它将改变它所涉及的每一个经济领域。”
“我认为澳大利亚人不太了解的是，就量子物理学而言，在过去的二十五年或更长时间里，我们一直处于世界领先地位。”
国防工业已开始利用量子技术。首席国防科学家塔尼娅·蒙罗教授告诉我，当卫星连接不稳定时，量子传感器可以代替GPS。
她说：“通过利用原子的量子特性，我们可以制造出极其灵敏的传感器。”澳大利亚的量子技术在最近的环太平洋军事演习中胜出，与美国友好的国家在演习中展开较量。
“阿德莱德大学研制的澳大利亚光学钟展现了世界最佳的量子钟性能，”蒙罗说道。此外还有量子通信——“显然，通信是任何现代军事系统的关键要素，”她补充道。
巴特利特对量子计算充满热情——量子比特（qubits）被包裹在一起，提供非凡的信息处理能力。概念验证型量子计算机已经存在，但真正投入使用的量子计算机还需要几年时间。
“如果你读过 20 世纪早期的科幻小说或报刊，你就会发现他们谈论磁力和电的方式和我们现在谈论量子的方式有点类似，”怀特说。
曾经，轻轻一按开关就能获得光亮的想法是不可思议的。“现在，它只是一个司空见惯的奇迹，没人会对此多想，”怀特说。
我认为量子技术在未来一两代会达到这个水平。但现在的情况很奇怪。
来源：人工智能学家