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《淺談神奇的量子世界》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、量子力學(xué)：不平凡的誕生預(yù)示了不平凡的神奇——淺談量子力學(xué)與量子思維理學(xué)院物理系林功偉量子力學(xué)自誕生以來，極大地推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)深刻地改變了我們的生活方式。從電腦、電視、手機(jī)到核能、航天、生物技術(shù)，處處它都在大顯身手，它已經(jīng)把人類社會(huì)帶入量子時(shí)代。但量子理論究竟帶給了我們什么？這個(gè)問題，至今帶給我們的仍只是無盡的想象。近年來，校長(zhǎng)錢旭紅院士，從改變思維的角度出發(fā)，在多種場(chǎng)合呼吁全社會(huì)要重視量子思維方式并加以運(yùn)用，不久前又在“文匯科技沙龍”上，提議讓“量子思維”盡早走入中小學(xué)課堂。那么，量子力學(xué)究竟是什么？量子力學(xué)的誕生是一段波瀾壯闊的傳奇。它的發(fā)展史是物理學(xué)乃至整個(gè)
2、科學(xué)史上最為動(dòng)人心魄的篇章之一。不平凡的誕生預(yù)示了不平凡的神奇。在量子世界中，處事原則處處與我們熟悉的牛頓力學(xué)主宰的世界截然不同。在我們熟悉的世界，要么是波，要么是粒子。在量子世界，既是波也是粒子，既不是波也不是粒子，兼具波和粒子的特質(zhì)，即波粒二象性。從而引申出量子疊加、測(cè)量塌縮、量子糾纏等種種神奇的現(xiàn)象。量子疊加：魚和熊掌亦可得兼在經(jīng)典的牛頓力學(xué)體系中，把粒子的運(yùn)動(dòng)都?xì)w結(jié)為確定軌道的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。知道粒子某個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與力的作用，就可以推斷粒子的過去，也可以預(yù)知粒子的未來。就像一個(gè)算命先生，你告訴他生辰八字，他掐指一算就知道你的前世來生。在這種機(jī)械觀下，仿佛一切都是注定的、唯一
3、確定的。然而，在量子世界，一切都變得不一樣。比如，有一天要從上海去北京，異想天開的你既想乘坐京滬高鐵體驗(yàn)沿途的風(fēng)光，又想搭乘飛機(jī)享受鳥瞰大地的感覺。我們習(xí)慣的方式是同一時(shí)間我們只能選擇其一，必須割愛其一。但在量子世界中你可以在火車上和飛機(jī)里共存量子疊加態(tài)上，魚和熊掌亦可得兼。這種量子疊加狀態(tài)非常奇特。同一時(shí)刻，你既體驗(yàn)著高鐵沿途的風(fēng)光，也享受著飛機(jī)上鳥瞰大地的感覺，如果說同一時(shí)刻有兩件事，但分別要求在火車上和在飛機(jī)里完成，量子疊加態(tài)的你完全可以神奇地一一照做。就像《西游記》中的孫悟空有分身術(shù)，同時(shí)一個(gè)上天一個(gè)入地。現(xiàn)在科學(xué)家們正利用這一原理來研制未來的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)中的量
4、子比特可以在無數(shù)的空間中量子疊加。它們并行地操作完成復(fù)雜的計(jì)算。已有研究表明這種量子并行計(jì)算確實(shí)可以在某些特定的復(fù)雜計(jì)算問題上大大提高效率。例如：一個(gè)400位的阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行質(zhì)數(shù)因子分解，目前即使最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)也要耗時(shí)上百億年，這幾乎等于宇宙的整個(gè)壽命；而具有相同時(shí)鐘脈沖速度的量子計(jì)算機(jī)可能只需要幾分鐘。還有利用量子快速搜索算法，可能很快從一個(gè)大森林里找到一片葉子，或者在一個(gè)沙灘上找到一顆沙子。在量子世界，“大海撈針”已不再是沒有可能的事，簡(jiǎn)直“易如反掌”。量子疊加不僅可以是同一個(gè)物質(zhì)在它不同狀態(tài)的疊加，還允許不同物質(zhì)的疊加，哪怕這兩個(gè)物質(zhì)是迥然不同類的。比如光和原子，前者是宇
5、宙中最快的，一眨眼可以繞地球好幾周；后者可以慢悠悠地停留在某處。如果讓它們量子疊加一起會(huì)怎么樣呢？有種叫電磁誘導(dǎo)透明的技術(shù)就可以讓光和原子相干疊加。疊加后我們稱之為暗態(tài)極子，它是半光半原子的混合體，就像希臘神話中半人半神的帕爾修斯，既具備人的情感，也具備神的能力。人們發(fā)現(xiàn)這種半光半原子混合體的速度是介于之間的，它既不像光速那么快，也不像原子慢悠悠停留在某處，它的速度取決于光在其中疊加的比重。人們通過調(diào)節(jié)這個(gè)比重就可以讓光乖乖地慢下來，需要的時(shí)候還可以讓光再飛奔起來。在運(yùn)用上，光子相互作用很小，而原子之間容易產(chǎn)生大的相互作用。有趣的是：最近，我們研究小組通過合理設(shè)計(jì)可以利用原子的優(yōu)
6、點(diǎn)來彌補(bǔ)光子的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出強(qiáng)的單光子相互作用。如果把這個(gè)過程提升到量子思維的話，不就是我們生活中的“取長(zhǎng)補(bǔ)短”“協(xié)同合作”嗎？而這個(gè)思維能力正是當(dāng)代社會(huì)所迫切需要的。量子測(cè)量：“上帝”開始玩骰子了如果說到這里，也許給人的印象是：在量子世界，不論多少事情原則上只要有孫悟空的量子分身術(shù)，一下子變出千千萬萬個(gè)孫悟空，都可以輕而易舉地同時(shí)把它們都搞定。事實(shí)上不是這么簡(jiǎn)單的！前面提到的量子計(jì)算機(jī)可以提高計(jì)算效率是有條件的，要對(duì)應(yīng)于某些問題進(jìn)行巧妙設(shè)計(jì)才行。到目前為止，人們找到的可以提高計(jì)算效率的例子也還局限于一些典型的問題。為什么會(huì)這樣？這個(gè)問題關(guān)乎于量子力學(xué)的一個(gè)神秘特質(zhì)：量子測(cè)量塌縮。
7、在經(jīng)典力學(xué)，物體的狀態(tài)可以被精確測(cè)量，而且這個(gè)狀態(tài)測(cè)與不測(cè)一個(gè)樣，你測(cè)和我測(cè)也一樣。這個(gè)意境就像一首詩(shī)《見與不見》中描繪的那樣：“你見，或者不見我，我就在那里，不悲不喜”。量子測(cè)量則完全不同于經(jīng)典力學(xué)中的測(cè)量：有測(cè)不準(zhǔn)原理限制精確的測(cè)量，物體的狀態(tài)會(huì)因測(cè)量和觀察而改變，測(cè)量結(jié)果還依賴于測(cè)量的角度和方式。量子測(cè)量中，“上帝”開始玩骰子了！以至于愛因斯坦作為量子理論的奠基人之一卻至死也不認(rèn)同量子測(cè)量。然而直至今天，科學(xué)實(shí)驗(yàn)一次又一次地表明：“上帝”真玩骰子了！還用剛開始的例子：在火車
