量子纠缠背后的故事(圩九)

量子的回归

美国谷歌的悬铃木和中国科技大学的九章都是在200秒内完成经典计算机至少需要多年甚至不可能的运算。这个短暂的时间不仅仅是一个有趣的巧合,也基本体现了现有量子计算机的极限。

薛定谔假想中的箱子是一个理想的屏障,保证在被打开之前里面的量子世界不会受外面经典世界的干扰。如果这个箱子有着缝隙,那么箱外任何有意无意的偷窥对箱子内的量子态来说都是一次“测量”,会导致其波函数坍缩而终止实验。

无论是怎样的设计,现实的量子计算机都不可能将它们的量子比特完全与世隔绝。光子在光腔中不断的反射过程中不可避免地会被吸收、散射而损失。被激光捕获的原子、离子时刻会受温度、电磁场涨落的影响。超导体、半导体等宏观材料中的量子态则更容易被其所在环境干扰。它们或者会失去彼此之间好不容易形成的纠缠,不再具备计算能力随量子比特数目指数增长的的霸权优势;或者干脆完全失去它们拥有的量子态。

当然,即使是经典的计算机也时常会遭遇环境干扰或自身硬件故障所造成的问题。为了保证计算的顺利进行,计算机中用于数据存储和运作的芯片、硬盘等都会采用冗余的设计。它们将到来的信号复制多份,分别在不同区域施行同样的操作,然后通过比较它们的结果来察觉、刨除随机因素带来的错误。

这个行之有效的手段却无法在量子计算机上如法炮制。由于量子态的不可克隆,它们不可能被复制多份用以重复操作。这个难题曾经一度让专家们灰心丧气,怀疑量子计算机的根本可行性。好在肖尔及时发现了一个利用多个量子比特之间的纠缠查找、纠正错误的方法,挽救了这个新兴技术。陆朝阳和潘建伟在2007年实现的六颗光子纠缠便是第一个有足够量子比特可以执行纠错程序的量子计算系统。

在21世纪,量子计算领域有着一个新的行业术语:“退相干”(decoherence)。量子计算机中精巧、娇嫩的量子态及之间的纠缠只能在有限的时间内保持其量子的“相干性”(coherence),然后就会因为各种因素发生退化,导致计算的失败。因此,与量子通讯竭力扩展光子对分发的距离相应,量子计算时刻在与时间赛跑。设计人员想方设法通过更有效的屏蔽以及自动检测、更正错误等方式延迟退相干的发生,抢在量子态消失之前完成计算任务。


其实,退相干是祖瑞克早在1981年就已经提出的概念。它并非针对量子计算机,而是对量子力学行为的一个的普遍描述。祖瑞克那时还是在得克萨斯大学旁听惠勒量子力学课程的研究生。在惠勒的邀请下,被主流物理学界排斥的艾弗雷特、泽尔、多伊奇等人相继来到他们学校讲解各自的异端邪说。祖瑞克因而接触到众多新思想,尤其对艾弗雷特的多世界有了深刻的印象。泽尔在对多世界的推广中也已经提出退相干的想法。

那年,祖瑞克在一篇论文里正式提出所谓量子力学就是一个相干态。薛定谔箱子里的猫处于既死又活的叠加态时是一只量子的猫,具备着不同量子态之间的相干性。在箱子被打开查看之后,那只猫或死或活,不再具备原有的相干性。猫的状态在箱子打开的那一刻发生了退相干,从此“只是”一只经典的猫。

这个描述似乎就是冯·诺伊曼测量理论的翻版:原来的波函数坍缩被换成退相干这么一个听起来更时髦的名称,测量的过程则被改成比较泛泛的外界影响。但祖瑞克的用意在于一个那年代物理学家开始意识到的问题:日常生活中的经典世界是怎么出现的?

曾几何时,索尔维会议上的先辈们对新发现的量子现象莫衷一是,无法理解自然界怎么会突然冒出那么一个熟知的经典定律甚至语言都无法描述的奇异新世界。玻尔认定宏观与微观是两个分立的世界,遵从不同的物理定律。它们只在宏观的仪器对微观的现象进行测量时才会有所交流。但无论爱因斯坦在会上如何追问,玻尔也没法具体地给出这两个世界之间的界限。他的心目中有着一个薛定谔的箱子,只是无法知道箱子在哪里,又是如何发挥其功能的。

量子世界与经典世界的分界。图中场景是二战期间研制原子弹的洛斯阿拉莫斯军事基地的入口处。门外是日常的经典世界,进了门便是有着既活着又死去的猫的量子迷宫。

在1905那个奇迹年,专利局中的青年爱因斯坦相继发表光电效应的量子解释和狭义相对论,揭开现代物理学两场革命的序幕。相对于他的光量子在其后十来年无人喝彩,相对论很快得到了广泛的认可——除了诺贝尔评奖委员会和当时德国一些怀有政治性动机的物理学家。虽然颠覆了人类的时空观、宇宙观,相对论还是牛顿经典力学的自然延伸。当物体的运动速度远小于光速、质量不足以产生极强的引力场时,狭义和广义相对论都会自然地以近似方式回归牛顿动力学。无论数学形式还是逻辑理解,这里没有难以接受的困惑。

这就是说,自然界中不存在奇异的相对论世界与日常的非相对论世界的区别和分野。相对论中没有相应的薛定谔箱子。即使静止不动时,我们也是生活在狭义相对论的世界里。只不过其特有的“钟慢尺缩”过于微小,我们无法觉察。同样,我们身边的物体、地球和太阳都不足以造成可探测的时空弯曲。但毫无疑问,我们日日夜夜都生活在广义相对论的世界中。

因此,玻尔那微观和宏观属于两个不同世界的观念甚是突兀,即使在哥本哈根诠释成为物理学正统后也没能得到认可。后代物理学家普遍相信作为对物理世界更深层次的描述,量子力学是与相对论一样的普适理论,适应于整个自然界。与相对论效应一样,我们在日常生活中看不到量子的神奇不过是因为其效应过于微小。况且,在超导、超流、激光等一些极端条件下,量子效应也已经在宏观世界中显现。

然而,从玻尔的原子、德布罗意的波、海森堡的矩阵、薛定谔的方程到狄拉克、费曼的表述都是人为地将表征量子行为的普朗克常数强行嵌入经典的动力学。他们的这个量子化过程清晰地表明量子世界与普朗克常数息息相关。当这个数值趋于零时,量子力学也会自然地回归经典力学。

只是普朗克常数不像速度、引力那样是一个数值可变化的物理量。它顾名思义是一个常数,不存在改变这个数值的机制。因此,量子力学无法像相对论那样在日常的条件下平稳有序地回归为熟悉的经典力学。量子的定律与经典的定律之间因而存在一道无可逾越的鸿沟。如果我们其实也是生活在量子的世界,为什么却从来看不到波函数的坍缩?身边这个经典的世界是在什么时候、又是如何从量子定律中脱胎而出的?


在正统的哥本哈根诠释中,“测量”是这个转变的契机。当箱子被打开的一刹那,原来处于既死又活叠加态的量子的猫变成了或死或活的经典的猫。对于箱子里的世界来说,这是一个突然而瞬时的转变,其间没有可描述的物理过程。而作为触发的测量又是如此诡异,以至于维格纳不得不断定那必须有人类意识的参与才能奏效。

除非某个有意识的上帝曾在某个时刻打开过宇宙的“箱子”,这也无法解释我们今天为什么生活在一个经典的世界里。

祖瑞克的退相干摒弃了测量的过程和观测者存在。除了宇宙作为一个整体,任何量子系统都时时刻刻会受到外在环境的影响而失去原有的相干性,“退化”为不再有叠加态的经典系统。这个简单的概念因而可以同样地适用于没有人类存在的远古和地球之外的浩瀚世界。

也与早年玻姆的隐变量、艾弗雷特的世界分裂不同,退相干不是一个不需要时间的神秘突变。恰恰相反,相干性的退化——量子系统向经典系统的转变——是一个随时间演化的物理过程。祖瑞克的模型表明完成退相干所需要的时间与系统的质量成反比。这样,微观世界中的粒子因为质量微乎其微有着相当长的退相干时间,足以让我们观察到它们尚未退化的量子行为。反之,宏观世界的质量巨大,退相干时间极短。其量子行为稍瞬即逝,无从捕捉。所以,我们日常所能看到的只是一个经典的世界。

这样一个简明、清晰的概念首先在整天担忧量子态丧失的量子计算机领域引起共鸣,成为他们的日常语言。


在20世纪末,年轻的祖瑞克没有因为离经叛道而沦为持不同政见者。他有着越来越多的同道。主流的物理学家那时也纷纷加入挑战、修补哥本哈根正统的战团。

曾经一针见血地指出赫伯特超光速通讯设计中漏洞却错过了发现量子态不可克隆定理的意大利物理学家吉拉迪、里米尼和韦博推出了以他们姓氏命名的GRW理论。他们在薛定谔方程中引入描述波函数坍缩过程的附加函数,描述坍缩过程随时间的演化。他们的理论也能体现出宏观世界与微观世界相比有着极快的坍缩速度,因此只会表现出经典行为。

牛津的著名理论物理学家彭罗斯(Roger Penrose)也在改写薛定谔方程。他引入的附加因素却来自物理的实际:引力。彭罗斯论证,如果双缝实验中的一个物体处于同时在两个不同地点的叠加态,它的质量就会同时引起两个不同地点的时空弯曲。这会造成一个不稳定状态,触发波函数的坍缩,或退相干。这也是一个无须测量,也不需要人类存在的客观过程。彭罗斯在2020年因为关于黑洞的理论研究获得诺贝尔奖。

因为提出基本粒子夸克模型获得诺贝尔奖的盖尔曼也在艾弗雷特、泽尔、祖瑞克等人的基础上提出他自己的“退相干历史”(decoherent histories)诠释。他并不主张有多个世界的存在,但认为我们这个世界在演化进程中曾经有着多重的历史。我们只是碰巧生活在其中之一。

在20世纪初的索尔维会议上,物理学家也曾经同样地众说纷纭。但在世纪之末,理论的思辩已经不再是理解量子世界的唯一途径。即便在量子力学的基础问题上,物理学也在回归其实验科学的本性。与波函数坍缩的莫名其妙相反,退相干或其它类似的机制是可以接受实际检验的物理过程。在理论学家的滔滔不绝面前,实验物理学家也、不再只是作壁上观。他们有了更大的发言权。

1976年,塞林格在研究生期间与导师劳赫一起进行了单个中子的双缝实验,证实中子量子叠加态的存在。在那之前,还只是没有质量的光子和质量微不足道的电子表现过这样直接的量子特性。当然,即使中子的质量是电子的近2000倍,那也还只是一个微不足道的“基本粒子”。

在1990年代初,世界各地的物理学家已经分别用惰性原子氦和氖进行了同样的双缝实验。虽然原子比中子又大得多,氦和氖也只是由区区几颗中子和质量与之相应的质子组成的小原子。正当他们稳扎稳打地逐步尝试质量更大的原子甚至小分子时,已经是维也纳大学教授的塞林格在1999年突然独树一帜。他和博士后阿恩特(Markus Arndt)果断地采用十多年前才发现,由60颗碳原子组成状如空心足球的“富勒烯”(Buckminsterfullerene)分子进行了双缝实验,成功地看到了它们的干涉条纹。

阿恩特后来也成为维也纳大学的教授。他二十年孜孜不倦,试图突破观察量子叠加态的质量上限,终于在2019年放出了一颗大“卫星”。他们使用一个有着284颗碳、190颗氢、320颗氟、4颗氮和12颗硫原子的“巨型”分子完成了双缝实验。这个有着一万多个质子、中子质量的“庞然大物”也经受了考验,展现出量子的叠加态。1

塞林格认为只要能够逐步克服技术上的困难,更大的分子,甚至接近宏观的微粒也能完成这一实验,在退相干之前展示出其内在的量子态。也许会有一天,有生命的病毒、细菌也能在实验室中走向双缝,真实地进入薛定谔的猫那样的生死叠加态。


当薛定谔把他假想的猫关进装有放射性原子和毒药瓶的箱子里时,他只是为了揭露量子力学叠加态在日常熟悉的宏观物体上会表现出的荒诞。正如爱因斯坦未曾预料他“鬼魅般超距作用”讥讽竟会成为物理现实,薛定谔也断然不会想到后世的物理学家会一本正经地在实验室里试图实现他这个自认“恶魔”式的装置。

诚然,现在还没有人能够按字面意义地做那样一个实验2。物理学家只能退而求其次,寻找逐步接近的方式。

1996年,怀恩兰在美国利用激光制冷的铍离子进行了一次有意思的观测。被捕获的铍离子只能在激光束形成的囚牢中作极为轻微的振动。由于铍原子质量相对较大,这样的振动基本上不具量子特征,可以看作是经典的猫。同时,这个铍离子中的电子可以在激光的激发下进入同时处于两个能级的叠加态中,相应于既衰变了又未衰变的放射性原子。在他们精心的操纵下,铍离子这两个不同的自由度实现了耦合。也就是离子振动的“猫”与电子跃迁的“放射性原子”发生了量子纠缠。

几乎同时,法国的阿罗什(Serge Haroche)也开展了同样性质的实验。他们将光子囚禁在由两面镜子组成的光腔之中。光子在其中的来回运动成为这个实验中的“猫”。然后,阿罗什让一个处于高激发态的铷原子穿过光子的路径。因为频率差异,铷原子无法吸收光子,但能在与光子的碰撞过程中与光子所处的量子态耦合而纠缠。

这两个实验都制备出两个质量差异明显的量子态之间的纠缠,在一定程度上近似于薛定谔箱子里宏观的猫和微观的放射性原子。但更具意义的是,他们都能够对这些纠缠叠加态进行细致的测量,实时地观察它们逐渐失去纠缠——退相干——的过程。那不是冯·诺伊曼和玻尔所想象的突然坍缩。

因为这些匪夷所思的实验和对单一光子、离子、原子等量子系统测量中的贡献,怀恩兰和阿罗什在2012年分享了诺贝尔奖。

(待续)

系列目录

1

这个分子来自精心的设计和人工合成,既能保持自身的稳定性又几乎不与其它物质发生反应。因而可以不受仪器干扰地完成双缝实验。

2

更何况那会激怒所有的爱猫人士和动物保护者。