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一切皆量子
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Philip Ball 文 Shea 编译 |
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与直觉相悖的量子力学原理是如何作用于我们的宏观世界的？是否可以确信，即使在没有观测者的情况下，我们的宏观世界也不会表现出量子态？  [图片说明]：版权：D. Parkins/Nature。 基思·施万布（Keith Schwab）正在量子和宏观之间搭建桥梁。根据绝大多数人的标准，这些桥梁非常微小，它们只有大约8微米长、0.2微米宽，在显微镜下才能看到。但是在施万布眼里，它们却非常巨大。这是因为他希望能看到它们按照量子力学规律运动，而在量子力学中经常会出现古怪和难以想像的现象，例如一个粒子可以同时出现在两个地方。量子力学通常被认为主宰着单个的原子，而这些由几百亿个原子组成的桥梁则不在它的掌控范围之内。 这是一个雄心勃勃的目标。但是来自美国康乃尔大学的施万布仅仅是全世界众多有关的实验物理学家之一，他们的共同目标是探索现代物理学最大的谜题之一——从量子力学到经典力学之间的转变（量子-经典转变）。在这个转变中，随着我们从原子大小的尺度进入苹果大小的尺度，模糊的量子世界便让位给了我们熟知的、确定的经典物理世界。如果这些实验成功地证实了目前有关这一转变的理论，那么它将为长期以来对量子理论的成见划上句号。 在早期，量子力学家们处理量子-经典转变就像是变戏法，他们不得不在量子力学中加入一些东西才能使它转变到经典物理。但是现在有强烈的迹象表明，量子理论本身可以自然而然地出现这一转变。如果确实如此，那它暗示着“经典”物理只不过是另一种量子现象而已。“有充分的理由相信，我们和量子理论所描述的微观原子和电子一样是量子世界的一部分，”澳大利亚墨尔本大学的量子理论学家马克西米利安·施洛斯豪尔（Maximilian Schlosshauer）说。 检验新的量子-经典转变理论牵涉到从光子到超导再到微观振梁的一系列实验。由于这些实验的目的是为了寻找宏观物体上的量子效应——类似于探测一只苍蝇落在旧金山金门大桥上所造成的桥体沉降，因此它们会将现有的实验技术推向极限。除了自身很小以外，这些效应还会快速减小，以致于许多物理学家相信去探测这些效应本身就显得荒诞可笑。“一些人会说：‘量子力学当然会起作用——书上就是这么写的’，”施万布说，“另一些人说：‘量子力学肯定不会起作用——这些家伙肯定是疯了’。” 当前对这一现象的研究又有了迫切的现实意义，认识量子-经典转变对于新兴的量子信息技术领域至关重要。而这一领域有望在未来为世人提供超高速的量子计算技术以及极其安全的数据加密和传输技术。这些现实的应用可能要倚赖于在大尺度上抑制宏观行为同时又维持物体量子特性的能力。 部分地来讲，这是一项技术上的挑战，而有关量子-经典转变的实验将有助于研发相应的技术手段。但同时这也是一个对基本理论认识的挑战。一些物理学家认为，今天对于量子行为的解释和当年尼尔斯·波尔（Niels Bohr）、维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）、阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）以及其他人创立并且争论这一理论时如出一辙。“这是一个激动人心的话题，”美国马里兰大学的量子技术专家克里斯·门罗（Chris Monroe）说，“一些人坚持认为这里不存在问题。另一些人则坚持存在无穷多个宇宙，每个宇宙各自对应于一个确定的量子态都有一个经典的描述。”（参见“火流星”网站之《我在这里，我在那里》、《多重世界中的多重生活》）随着对量子-经典转变的解释变得越来越成熟，将其赴诸于实验的可能性越来越大，距离我们能够回答这一悬而未决的问题的那一刻也越来越近。  量子特异性去了哪里？ 为了理解量子-经典转变的真正含义，可以把我们熟悉的经典物理世界看成是一个“非此即彼”的地方。换句话说，指南针不能在某一时刻既指向南方又指向北方。与之形成对比的是，量子世界是一个“模棱两可”的地方。在那里，一个被磁化的原子可以毫不费力地同时指向两个方向。同样的情况也能发生在其他的物理属性上，例如能量、位置或者速度。一般而言，量子世界中这些物理量可以同时具有不同的取值，因此你能描述的仅仅是这些取值的概率。对于这种情况，物理学家们将其称为量子“叠加”态。 因此，了解量子-经典转变的核心问题之一就是当你从原子尺度进入苹果尺度的时候量子叠加态发生了什么变化？更确切地说，“模棱两可”是在什么时候以及怎么样转变成“非此即彼”的？ 几十年来，物理学家们就此提出了许多理论。但是其中最受青睐的理论涉及到了被称为“退相干”的现象，这一现象发现于20世纪70年代、80年代被仔细研究。粗略地讲，退相干是微观粒子与周围环境相互作用（例如，一个原子或者分子和周围的物质发生碰撞或者光线照到它）时所出现的量子行为消失现象。留下的仅仅是该系统的部分图像，即一个确定的宏观世界。 为什么会出现这一奇特的现象呢？20世纪80年代，现在在美国拉斯·阿拉莫斯国家实验室的物理学家沃奇克·祖瑞克（Wojciech Zurek）为此提出了一个解释。实际上，不同的量子态对于退相干有不同的耐受性。当一个量子系统和环境发生相互作用的时候，只有“抵抗力”强的态才能最终幸存下来。这些最后剩下来的量子态就是我们在经典物理中所熟悉的特征，例如位置和速度。从这个意义上说，这些是最“优”的量子态，这也是祖瑞克及其同事将其称为“量子进化论”的原因。 退相干同时也预言了量子-经典转变并不关乎系统的大小，时间才是真正重要的因素。一个量子实体与周围环境相互作用越强，其退相干的速度就越快。因此，对于越大的物体，由于其与环境相互作用的途径更多，它几乎可以在瞬间内完成从量子到经典的行为转变。例如，如果一个大型分子处于量子叠加态，其同时处于两个位置且这两个位置相距1纳米，那么由于和周围空气分子的碰撞，它会在10-17秒内完成退相干。所以在某种程度上退相干是不可避免的。即使是在真空中，粒子也会由于和无处不在的宇宙微波背景辐射中的光子碰撞进而发生退相干。 施洛斯豪尔说，退相干为从量子理论转变到经典物理学提供了一条途径。确实，在这样一幅图像下，经典物理学不再是量子力学的对立面，相反它是量子力学的必然产物。 从理论上这一切听起来都很完美，但在现实中呢？我们能确切地看到由于与环境的作用而导致的退相干吗？1996年法国巴黎高等师范学院的塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）及其同事在光学腔中对这个理论进行了检验。他们让一个具有两个叠加态的铷原子穿过光学腔。然后，当实验人员将第二个铷原子送入光学腔的时候，它就会受到和第一个铷原子发生过相互作用的光子的影响。但是由于光子本身的退相干作用，这一效应会变得越来越弱，因此倚赖于在第一个原子通过之后对第二个原子进行测量的时机。由此，阿罗什和他的同事通过改变测量两个原子的时间可以观测到退相干的过程。  滑门 退相干告诉我们，在量子行为向经典转变的过程中不存在清晰的界线或者是临界的大小。而且模糊的边界自身也会随着测量的方式而变化。“测量仪器的选择决定了被测物体是量子的还是经典的，”奥地利维也纳大学的安东·蔡林格（Anton Zeilinger）说。9年前他的小组通过富勒烯（C60）之间的量子干涉证明了这一点。C60的分子结构和足球极为相似，但是只能在电子显微镜下才能看到。干涉——交迭的两束波出现的此消彼长——在这里是纯粹的量子效应，而且如果你把分子当成是离散的粒子的话，是不会出现干涉图案的。除非这些分子处于叠加态，也就是说它们同时可以出现在多个地方。“如果你用扫描隧道显微镜扫描一个有富勒烯附着的表面，你会看到它们和宏观物体一样，”蔡林格说，“但是如果你用我们的干涉实验装置，它们就会在量子力学的作用下重新分布。”换句话说，他说：“同一个物体在一种情况下可以表现为量子系统，在另一种状况下则表现为经典宏观系统。” 这使得富勒烯实验成为了一条理想的定量检验退相干理论的途径。在随后使用更大的C70分子的实验中，蔡林格的小组发现，随着C70分子所通过的气体的密度不断增加，干涉图样会逐渐消失。气体的密度越高，碰撞就越频繁，与环境的耦合就越强，因此分子退相干的速度就越快。他们发现量子相干性的衰减率和干涉的出现速率与理论预言的精确相符。现在他们在质量更大的分子上观测到了类似的现象，这其中包括了氟化C60（C60F48）和卟啉衍生物（C44H30N4）。 “重要的一点是根据退相干的理论模型可以精确的计算出干涉效应发生的条件，”施洛斯豪尔说，“我们不必再局限于对量子和经典世界之间的模糊划分。” 单个的分子距离我们的经典世界还有很长一段路。但是在真正的宏观物体中也观测到了退相干现象，例如在超导材料环中。超导是一种内禀的量子力学行为，而在超导材料环中的电流则被称为超导量子干涉装置（SQUID）。SQUID中的电流可以朝两个相反的方向流动，形成一个叠加态。根据由此产生的干涉现象可以监测这些叠加态。2003年，荷兰代尔夫特理工大学的科学家发现，用微波脉冲激发超导电流叠加态的振荡可以用来研究退相干。在阿罗什的实验中，当处于叠加态的振荡之间的相关性随着脉冲间隔变化而减弱的时候便发生了退相干。 超导电流中的叠加态似乎距离看到宏观物体同时出现在两个地方还有一点遥远。但是施万布及其同事认为，应该有可能在“大致的”一团物质中观测到量子叠加态。为此他们采用了纳（米）电子机械系统（NEMS）。这些系统非常小，因此它们的振动模式会由量子力学来支配，具有特定的能级以及特定的频率。但是能级之间的差异非常小，因此除非在低温下排除了热噪音的干扰，否则这些振子的量子行为会变得非常模糊。 施万布说，他相信他现在已经非常接近能观测到NEMS振子在基态的振荡。在大约25毫开的温度下，他和他的同事已经成功地将系统的震动控制在了能量最低的25个能级上。他说，他希望能通过使用类似激光消除超低温原子团簇热量的主动冷却技术来去掉剩下的所有激发态。 美国康乃尔大学的科学家已经设计了一个在NEMS共振腔中寻找量子叠加态的实验。和在其他的量子系统中一样，施万布说：“一旦你观察叠加态，你就会破坏叠加态。”因此量子叠加态只能通过其对另一个与其耦合的系统的效应来推测。施万布的小组将会观测共振腔和量子位之间的相互作用是如何引发量子位退相干的。量子位是一种可以存在两种态的量子器件，犹如计算机中的二进制存储单元。施万布说，这一类型的耦合会产生一个特别的信号，也就是说，相干性会以共振腔的振动频率周期性的出现。这会揭示出一个包含了数百亿个原子的系统所具有的量子效应。这一系统的粒子数远远超过了分子干涉实验的水平。 然而，美国加州大学圣巴巴拉分校的德克·布曼斯特（Dirk Bouwmeester）还有一个更雄心勃勃的计划。他和他的同事计划使用由单个叠加态光子辐射压推动的镜子来制造宏观物体的叠加态。这个实验不可避免地将牵涉到极端高精度的测量。他们计算发现，对于一个边长为10微米、质量为五万亿分之一千克、包含1014个原子的立方体，对其进行位置测量的精度必须要达到10-13米——接近一个质子的大小，但是通过使用干涉方法还是可行的。  烟和镜 布曼斯特希望这一实验可以用来检验英国牛津大学物理学家罗格·彭罗斯（Roger Penrose）提出的另一个有关量子-经典转变的理论。彭罗斯认为，叠加态的“坍缩”是一个由引力导致的瞬间过程，而不是类似退相干的由环境导致的渐进过程。这一过程牵涉到辐射引力子，而引力子是引力的假想基本粒子。与之类似的过程是，一个受激发的分子可以通过辐射光子来衰变。彭罗斯认为，物体越大，其在引力势阱中处于叠加态的成本就越大，因此这个物体会在确定的时间内完成量子-经典转变。根据他的估计，对于一个尘埃粒子而言，完成这一转变所需的时间大约是1秒。如果布曼斯特的镜子实验可以在不降低灵敏度的情况下做得更大，那么它就能观测到这一转变。“虽然我对这个想法表示怀疑，但是我觉得它值得接受检验，”布曼斯特说。 了解量子态已经超出了对大自然好奇心的范畴，因为处理量子数据也将是未来信息技术的关键。通过开发叠加态提供的额外自由度，量子计算（至少对于某些计算问题）可以大幅度地提高计算机的计算能力。同时在纠缠量子位中编入数据可以为信息传递提供一条安全的途径，因为对数据的截取或者是读取都会引发可探测的、不可逆的量子坍缩。因此，认识退相干、量子系统与环境的耦合以及量子测量的基本性质在量子信息领域至关重要。“对于建造量子计算机而言，”施洛斯豪尔说，“主要的挑战是保护计算机免受环境的干扰，以此把退相干控制在最小的程度上。而与此同时你又要使得计算机足够开放，以便能从外界对它进行控制。对退相干的主动控制以及甚至是消除退相干效应的有关技术正推动着对量子计算的研究。” 太多的信息 乍一看，量子计算似乎是行不通的，因为在不破坏编码“信息”的情况下是无法对叠加态进行测量的。但是10年前科学家发现，只要量子计算机背景退相干的程度足够小，那么贮存在量子位中的量子信息就可以通过冗余编码获得。“单个有效的量子信息会被储存到多个量子位中，”门罗说，“特定的测量方式使得即使在有退相干的情况下也能完全把信息恢复出来。” 这些装置在工程上的挑战之一是识别什么导致了退相干。“对量子位编码的方式将倚赖于导致退相干的源的细节，”门罗解释说，“一些退相干源相比其他的要更容易复原得多。” 如果能成功地把量子计算从目前的几个量子位放大到宏观系统，这将不仅会对计算有一个巨大的推动，同时也有力地证明了量子效应在宏观尺度上是如何依然存在的。“有一天我们满屋子的仪器设备可以被认为就像单个原子那样的单个量子实体，”在美国IBM研究实验室从事量子计算的大卫·迪文森佐（David DiVincenzo）说。 另一方面，也许在认识量子-经典转变的过程中，量子信息技术会揭示出它意料之外、更基本的性质。“如果在建造大尺度量子计算机的过程中，我们发现退相干总是会造成一定程度的复杂性——对应于量子力学的普适性——的话，那么这将会是非常有趣的事情，”门罗说。 与此同时，祖瑞克认为量子信息技术中还蕴藏着更深刻的意义。他说，量子信息技术向我们展示了信息是量子理论的核心。“认真地看待信息会有深远的影响，”他说，“也许最重要的一点是没有表述就没有信息。换句话说，信息只能被储存在某个物体的某个物理状态中。”因此，只有在信息起作用的时候，诸如退相干以及量子进化论这些概念才会起作用。他进一步说：“这些都和信息是如何传播的有关。” 由退相干描述的量子-经典转变并不是事情的终结，还有更多、更基本的关于量子理论解释的问题留待回答。但是现在看起来，我们的经典世界只不过是量子世界退相干之后的产物。“‘量子力学是普适的’这是认识上的飞跃，”施洛斯豪尔说，“于是一切，包括我们自己，都可以用纠缠量子态来描述。” |
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出自：Nature
发布日期：2008-05-01 扩展阅读
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