根據(jù)哥本哈根學(xué)派的量子理論，波函數(shù)不能準(zhǔn)確確定電子的位置，某一時(shí)刻的電子，有可能位于空間中的任何一點(diǎn)，只是位于不同位置的概率不同而已。
換言之，電子在這一時(shí)刻的狀態(tài)，是由電子在所有固定點(diǎn)的狀態(tài)按一定概率疊加而成的，稱之為電子的量子“疊加態(tài)”。而每一個(gè)固定的點(diǎn)，被認(rèn)為是電子位置的“本征態(tài)”。比如在量子理論中，電子的自旋被解釋為電子的內(nèi)在屬性，無論你從哪個(gè)角度來觀察自旋，都只能得到“上旋”或“下旋”兩種本征態(tài)。那么，疊加態(tài)就是本征態(tài)按概率的疊加，兩個(gè)概率的組合可以有無窮多。電子既“上”又“下”的疊加態(tài)，是量子力學(xué)中粒子所遵循的根本規(guī)律。光也是有疊加態(tài)的，例如，在偏振中，單個(gè)光子的電磁場(chǎng)在垂直和水平方向振蕩，那么光子就是既處于“垂直”狀態(tài)又處于“水平”狀態(tài)。但是，當(dāng)我們對(duì)粒子（比如電子）的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，電子的疊加態(tài)就不復(fù)存在，它的自旋要么是“上”，要么是“下”。為了解釋這個(gè)過程，海森堡提出了波函數(shù)坍縮的概念，即在人觀察的一瞬間，電子本來不確定位置的“波函數(shù)”一下子坍縮成某個(gè)確定位置的“波函數(shù)”了。因此，量子具有不可測(cè)量的特性。量子的疊加態(tài)，嚴(yán)重違背了人們的日常經(jīng)驗(yàn)，于是薛定諤想出了一個(gè)有關(guān)“貓”的思想實(shí)驗(yàn)，以此來嘲笑哥本哈根學(xué)派對(duì)“波函數(shù)”概念的概率解釋。這就是我們耳熟能詳?shù)摹把Χㄖ@的貓”。他將一只貓關(guān)在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發(fā)生衰變，會(huì)觸發(fā)機(jī)關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會(huì)死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)量子力學(xué)理論，由于放射性的鐳處于衰變和未衰變兩種狀態(tài)的疊加，因此這只貓相應(yīng)地處于“死”和“活”的疊加狀態(tài)，直到有人打開盒子觀測(cè)才能有確定的結(jié)果。薛定諤認(rèn)為，一只貓，要么是死的，要么是活的，怎么可能既死又活？盡管現(xiàn)實(shí)中的貓不可能既死又活，但電子（或原子）的行為就是如此，這個(gè)實(shí)驗(yàn)則使薛定諤再次站到了自己奠基的理論的對(duì)立面，因此有物理學(xué)家調(diào)侃道：“薛定諤不懂薛定諤方程。”盡管遭到了薛定諤的反對(duì)，但量子疊加態(tài)在上世紀(jì)80年代量子計(jì)算誕生后，已經(jīng)被人們所深信不疑。1981年5月，物理學(xué)家費(fèi)曼在麻省理工學(xué)院召開的“物理與計(jì)算”會(huì)議上做了一個(gè)關(guān)于用計(jì)算機(jī)模擬量子物理的報(bào)告，他認(rèn)為經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能準(zhǔn)確模擬量子行為，需要建造一個(gè)按照量子力學(xué)的規(guī)律來運(yùn)行的計(jì)算機(jī)才能成功模擬它。從此，量子力學(xué)理論被應(yīng)用在計(jì)算機(jī)科學(xué)上，量子計(jì)算機(jī)利用的正是量子疊加的特性。經(jīng)典計(jì)算使用二進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算，一個(gè)比特總是處于0或1的確定狀態(tài)；量子計(jì)算完全不同，一個(gè)量子比特是0和1按照一定概率的疊加。一個(gè)量子比特一次就能同時(shí)表示0和1兩個(gè)數(shù)字。一個(gè)比特只表示一個(gè)數(shù)還是同時(shí)表示兩個(gè)數(shù)，看起來差別不大。但如果多個(gè)量子比特與同樣數(shù)目的經(jīng)典比特比較，差別將是指數(shù)級(jí)的。比如，兩個(gè)經(jīng)典比特可以表示00、01、10、11這4個(gè)數(shù)字，但只能從中選擇一個(gè)。但如果是兩個(gè)量子比特，一次就能同時(shí)表示這4個(gè)數(shù)字。再如，三個(gè)經(jīng)典比特仍然只能表示一個(gè)數(shù)字，三個(gè)量子比特可以用來同時(shí)表示8個(gè)數(shù)字。以此類推下去，隨著比特?cái)?shù)量的增加，經(jīng)典系統(tǒng)一次表示的數(shù)字依然是一個(gè)，只是可以表示的數(shù)值更大而已。但量子系統(tǒng)同時(shí)能表示的數(shù)字?jǐn)?shù)目將以指數(shù)方式快速增加，即2?。當(dāng)有20個(gè)量子比特時(shí)，它一次能表示的數(shù)字?jǐn)?shù)目為22o，超過100萬。當(dāng)N=250時(shí)，可以表示的數(shù)字?jǐn)?shù)目比宇宙中所有原子的數(shù)目還要多。這就是為什么人們認(rèn)為量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力如此強(qiáng)大。
▍背景簡(jiǎn)介：本文摘自公眾號(hào)“光子盒”。
