浅谈量子力学与量子思维-华东理工大学电子邮件系统

关键词： 复杂度 浅谈 加密技术 传统

浅谈量子力学与量子思维-华东理工大学电子邮件系统（精选3篇）

篇1：浅谈量子力学与量子思维-华东理工大学电子邮件系统

量子力学：不平凡的诞生预示了不平凡的神奇

——浅谈量子力学与量子思维

理学院物理系 林功伟

量子力学自诞生以来，极大地推动了现代科学和技术的发展，已经深刻地改变了我们的生活方式。从电脑、电视、手机到核能、航天、生物技术，处处它都在大显身手，它已经把人类社会带入量子时代。但量子理论究竟带给了我们什么？这个问题，至今带给我们的仍只是无尽的想象。近年来，校长钱旭红院士，从改变思维的角度出发，在多种场合呼吁全社会要重视量子思维方式并加以运用，不久前又在 “文汇科技沙龙”上，提议让“量子思维”尽早走入中小学课堂。那么，量子力学究竟是什么？

量子力学的诞生是一段波澜壮阔的传奇。它的发展史是物理学乃至整个科学史上最为动人心魄的篇章之一。不平凡的诞生预示了不平凡的神奇。在量子世界中，处事原则处处与我们熟悉的牛顿力学主宰的世界截然不同。在我们熟悉的世界，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，兼具波和粒子的特质，即波粒二象性。从而引申出量子叠加、测量塌缩、量子纠缠等种种神奇的现象。

量子叠加：鱼和熊掌亦可得兼

在经典的牛顿力学体系中，把粒子的运动都归结为确定轨道的机械运动。知道粒子某个时刻的运动状态与力的作用，就可以推断粒子的过去，也可以预知粒子的未来。就像一个算命先生，你告诉他生辰八字，他掐指一算就知道你的前世来生。在这种机械观下，仿佛一切都是注定的、唯一确定的。然而，在量子世界，一切都变得不一样。比如，有一天要从上海去北京，异想天开的你既想乘坐京沪高铁体验沿途的风光，又想搭乘飞机享受鸟瞰大地的感觉。我们习惯的方式是同一时间我们只能选择其一，必须割爱其一。但在量子世界中你可以在火车上和飞机里共存量子叠加态上，鱼和熊掌亦可得兼。

这种量子叠加状态非常奇特。同一时刻，你既体验着高铁沿途的风光，也享受着飞机上鸟瞰大地的感觉，如果说同一时刻有两件事，但分别要求在火车上和在飞机里完成，量子叠加态的你完全可以神奇地一一照做。就像《西游记》中的孙悟空有分身术，同时一个上天一个入地。现在科学家们正利用这一原理来研制未来的量子计算机。量子计算机中的量子比特可以在无数的空间中量子叠加。它们并行地操作完成复杂的计算。已有研究表明这种量子并行计算确实可以在某些特定的复杂计算问题上大大提高效率。例如：一个400位的阿拉伯数字进行质数因子分解，目前即使最快的超级计算机也要耗时上百亿年，这几乎等于宇宙的整个寿命；而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机可能只需要几分钟。还有利用量子快速搜索算法，可能很快从一个大森林里找到一片叶子，或者在一个沙滩上找到一颗沙子。在量子世界，“大海捞针”已不再是没有可能的事，简直“易如反掌”。

量子叠加不仅可以是同一个物质在它不同状态的叠加，还允许不同物质的叠加，哪怕这两个物质是迥然不同类的。比如光和原子，前者是宇宙中最快的，一眨眼可以绕地球好几周；后者可以慢悠悠地停留在某处。如果让它们量子叠加一起会怎么样呢？有种叫电磁诱导透明的技术就可以让光和原子相干叠加。叠加后我们称之为暗态极子，它是半光半原子的混合体，就像希腊神话中半人半神的帕尔修斯，既具备人的情感，也具备神的能力。人们发现这种半光半原子混合体的速度是介于之间的，它既不像光速那么快，也不像原子慢悠悠停留在某处，它的速度取决于光在其中叠加的比重。人们通过调节这个比重就可以让光乖乖地慢下来，需要的时候还可以让光再飞奔起来。在运用上，光子相互作用很小，而原子之间容易产生大的相互作用。有趣的是：最近，我们研究小组通过合理设计可以利用原子的优点来弥补光子的缺点，设计出强的单光子相互作用。如果把这个过程提升到量子思维的话，不就是我们生活中的“取长补短” “协同合作”吗？而这个思维能力正是当代社会所迫切需要的。

量子测量：“上帝”开始玩骰子了

如果说到这里，也许给人的印象是：在量子世界，不论多少事情原则上只要有孙悟空的量子分身术，一下子变出千千万万个孙悟空，都可以轻而易举地同时把它们都搞定。事实上不是这么简单的！前面提到的量子计算机可以提高计算效率是有条件的，要对应于某些问题进行巧妙设计才行。到目前为止，人们找到的可以提高计算效率的例子也还局限于一些典型的问题。为什么会这样？这个问题关乎于量子力学的一个神秘特质：量子测量塌缩。

在经典力学，物体的状态可以被精确测量，而且这个状态测与不测一个样，你测和我测也一样。这个意境就像一首诗《见与不见》中描绘的那样：“你见，或者不见我，我就在那里，不悲不喜”。量子测量则完全不同于经典力学中的测量：有测不准原理限制精确的测量，物体的状态会因测量和观察而改变，测量结果还依赖于测量的角度和方式。量子测量中，“上帝”开始玩骰子了！以至于爱因斯坦作为量子理论的奠基人之一却至死也不认同量子测量。然而直至今天，科学实验一次又一次地表明：“上帝”真玩骰子了！

还用刚开始的例子：在火车上和在飞机里的量子叠加态。测量之前你既在火车上也在飞机里，但如果对你测量（比如有人对你GPS定位），你可能忽然掉到火车上也可能忽然掉到飞机里，但最终你是掉到火车上还是在飞机里是无法预知的（唯一知道的是你掉到火车上或飞机里的概率）。量子测量结果还强烈地依赖观察测量的角度和方式。处于相同状态的量子系统，最后的结果跟观察的角度和方式有巨大的差别。如果观察的角度不同，对于相同状态，无论你观察得多仔细，得到的结果永远不同。这里绝对是“仁者见仁，智者见智”。在量子信息学里，人们就充分利用这一点，选择合适的角度测量得到自己想要的结果，如果方式不对，你看到的永远是另一面。由此可见，换个角度看问题是何其重要！量子力学中，两个共轭的物理量一起测量就必然有内在的不确定度，即使用再精准的实验仪器也无法消除，这是量子力学测不准原理决定的。通俗地讲，我们不可能对一个事物的方方面面都全面了解。量子力学告诉你，对其中的一方面知道得越全面，就意味着对另一个方面必然会了解得越模糊，这不是靠你观察能力的提高所能避免的，这是量子力学原理决定的。

现在我们回到前面的问题：基于量子分身术为何不能解决所有事情？虽然量子叠加允许在无穷多的空间中并行操作所有的事情，但当要把办好的事情拿去交差时，就需要你提取结果，即要观察测量。这时量子态就可能塌缩到一个空间去，这就意味着，只有你在塌缩后的空间中办的事还留着，其余空间经历的事就像你梦中的事情一样，醒来时已经无影无踪，徒留一些伤感。所以对特定的问题需要人们巧妙地设计，并选择合适的测量方式方可得到想要的结果。不然可能由于叠加相消，事倍功半。这似乎说很多人一起做事情，需要合理的分工和合作，否则效果反而比一个人还要差。

量子纠缠：“爱情”的力量让一切都变得可能

量子纠缠又是量子力学一个神奇的表现。处于纠缠的两个物体，它们之间的距离无论多么的遥远，它们都是一个整体。哪怕一个留在地球上，一个远在太阳系之外，当其中一个遭遇什么事情（例如量子测量），太阳系之外的另一方也会马上随之感应。处于量子纠缠的两个物体，就像电影里一对深深相爱的恋人，彼此心灵相通，他们远在天边却时时思念并无形地连着彼此。这种神秘的关联使得量子纠缠成为宝贵的资源。利用它可以完成你很多意想不到的事情，比如量子信息中的量子隐形传态，它有一个生动形象的英文名字“Quantum teleportation”，“Quantum”指量子，“teleportation”在英语字典就是“心灵运输”的意思。在量子隐形传态中，借助量子纠缠可以把量子态从一个地方传到另一个地方，即使发送的人对自己要传的东西一无所知。量子纠缠还可以用来发送安全的量子密码，这种密码就像恋人间的悄悄话，只有他们心领神会，别人却听不懂。还有量子纠缠还能实现超密编码，原本你只能拿起一百斤东西，爱情力量却让你拿起两百斤东西。还有量子纠缠可以实现测量式的量子计算……

总之，个人体会：从物理过程分析，量子力学看似诡异，因它与我们习惯的方式格格不入；但从它的结果发现似乎又更加优化、更加合理。最近著名杂志《科学》报道，科学家发现了室温下光合作用中的量子机制，并证明这一机制帮助光合作用获得高效的转化效率。也许正是这种大自然巧夺天工的优化和合理才是我们学习量子力学时所要吸取的营养。这里只是个人学习得到的一点粗浅体会。最后，欢迎大家关注我们即将推出的公选课——《来自量子世界的新技术》，我们可以一起探讨和遨游神奇的量子世界。

个人简介 林功伟，1981年生于福建福州，2011年中国科技大学、中科院量子信息重点实验室博士毕业，同年进入华东理工大学物理系工作。现在激光物理与量子调控研究室主要从事电磁诱导透明与腔量子电动力学相关的量子光学与量子信息研究。

篇2：浅谈经典理论与量子力学的联系

但是,量子力学并不是一个完备的理论,其体系中还存在许多问题,特别是微观与宏观,即经典理论与量子力学的联系。为解决这些迷惑,历史上相关科学家提出了很多实验与理论。该文旨在以量子力学发展史上提出的几个实验为例,对其进行简单分析,以展示经典理论与量子力学的联系。

1 问题的提出

1935年3月,爱因斯坦等人在EPR论文中提出了“量子纠缠态”的概念,所谓的“量子纠缠态”是以两个及以上粒子为对象的。在某种意义上,“量子纠缠态”可以理解为是把迭加态应用于两个及以上的粒子。若存在两个处于“量子纠缠态”的粒子,那这两个粒子一定是相互关联的,用量子力学的知识去理解,只要人们不去探测,那么每个粒子的状态都不能够确定。但是,假如同时使这两个粒子保持某一时刻的状态不变,也就是说,使两个粒子的迭加态在一瞬间坍缩,粒子1这时会保持一个状态不再发生变化,根据守恒定律,粒子2将会处于一个与粒子1状态相对应的状态。如果二者相距非常遥远,又不存在超距作用的话,是不可能在一瞬间实现两个粒子的相互通信的。但超距作用与当今很多理论是相悖的,于是,这里就形成了佯谬,即“EPR佯谬”。

同年,薛定谔提出了一个实验,后人称之为“薛定谔的猫”。设想把一只猫关在盒子里,盒中有一个不受猫直接干扰的装置,这套装置是由其中的原子衰变进行触发,若原子衰变,装置会被触发,猫会立即死去。于是,量子力学中的原子核衰变间接决定了经典理论中猫的生死。由量子力学可知,原子核应该处于一种迭加态,这种迭加态是由“衰变”和“不衰变”两个状态形成的,那么猫应该也是处在一种迭加态,这种迭加态应该是由“死”与“生”两个状态形成的,猫的生死不再是一个客观存在,而是依赖于观察者的观测。显然,这与常理是相悖的[2]。

这两个佯谬的根源是相同的,都是经典理论与量子理论之间的关系。

2 近代研究进展

2.1 验证量子纠缠的存在

华裔物理学家Yanhua Shih[3]曾做过一个被称为“幽灵成像”的实验,其实验过程及现象大致可以描述为:假设存在一个纠缠光源,这个光源可以发出两种互为纠缠的光子,通过偏振器使两种光子相互分离,令第一束光子通过一个狭缝,第二束不处理,然后观察两束光的投影,结果发现第二束光的投影形状与第一束光通过的狭缝形状完全相同。

人们发现,如果仅仅使用经典理论,实验现象是无法解释的,必须应用量子理论,才能解释“幽灵成像”的现象。这个实验也恰好验证了“量子纠缠”现象的存在。

2.2 量子世界中的欧姆定律

欧姆定律是由德国物理学家Ohm于19世纪早期提出来的,它是一种基于观察材料的电学传输性质得到的经验定律,其内容是:在同一电路中,导体中的电流跟导体两端所加的电压成正比,跟导体自身电阻成反比,即指导体两端电压;R指导体电阻;I指通过导体的电流)。

Weber[4]等人制备了原子尺度的纳米线并进行观察,实验发现,在微观领域,欧姆定律也是满足的。Ferry[5]认为样品的电阻是由多种机理所导致的,而他最后得到的结果正是由于多种机理的相互叠加。经过分析,他认为欧姆定律何时开始生效取决于纳米线中电子耗散的力度,力度越大说明开始生效时的尺度越小。但这也同时引发了另一个问题的思考:低温条件下,欧姆定律是仍然成立的,也就是说经典理论仍然成立,但往往是希望在低温下研究比较纯粹的量子效应。低温条件下欧姆定律的成立要求在进行实验研究时,必须花费更多的精力来使得经典理论与量子理论分离开。

2.3 生活中的量子力学——光合作用与量子力学

Scholes等[6]从两种不同的海藻中提取出了一种名为捕光色素复合体的化学物质,并在其正常的生活条件下,通过二维电子光谱术对其作用机理进行了分析研究。他们首先使用了飞秒激光脉冲模拟太阳光来激发这些蛋白,发现了会长时间存在的量子状态。也就是说,这些蛋白吸收的光能能够在同一时刻存在于不同地点,而这实际上是一种量子迭加态。由此可见,量子力学与光合作用是有很大联系的。

3 结语

从近几年来量子力学的基本问题和相关的实验研究可以看出,虽然经典理论与量子理论的联系仍然是一个悬而未决的问题,但是当代科学家已经能够通过各种精妙的实验逐步解决历史遗留的一个个谜团,使得微观领域的单个量子的测量与控制成为可能,并且积极研究宏观现象的微观本质,将生活与量子力学逐渐的联系起来。对于“经典理论与量子力学的联系”这一专题还需要进行不断研究,使量子力学得到进一步完善与发展。

摘要：文章首先回顾了量子力学发展史上的几个问题,简要说明了“EPR佯谬”和“薛定谔的猫”的主要内容,然后通过“幽灵成像”实验简单介绍了近几年科学家在研究经典理论与量子理论关系时所付出的努力,继而通过介绍“量子世界中的欧姆定律”和“光合作用与量子力学的联系”说明了量子力学与我们生活的联系。最后,剖析总结量子力学现今仍存在的问题,并得到量子力学亟待发展这一结论。

关键词：经典理论,量子力学,联系

参考文献

[1]孙昌璞.量子力学若干基本问题研究的新进展[J].物理,2001,30(5):310-316.

[2]孙昌璞.经典与量子边界上的“薛定谔猫”[J].科学,2001(3):2,7-11.

[3]Shih Y.The Physics of Ghost Imaging[J].2008.

[4]Weber B,Mahapatra S,Ryu H,et al.Ohm's law survives to the atomic scale[J].Science,2012,335(6064):64-67.

[5]Ferry D K.Ohm's Law in a Quantum World[J].Science,2012,335(6064):45-46.

篇3：浅谈量子思维及其意义

关键词经典思维方式;牛顿—笛卡尔世界观;量子思维方式

中图分类号 G64文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)022-0220-01

1经典思维方式

近代科学开始于16世纪,当时,尼古拉斯哥白尼提出了“太阳中心说”,开始向盛行一时的“地心说”发起挑战,他的观点被开普勒、伽利略以及后来17世纪的牛顿等人加以发展和完善。在1687年出版的在科学史中具有里程碑意义的《自然哲学之数学原理》著作中,牛顿以数学公式为依据,解开了古老的天体运动之谜,形成了全新的“世界体系”的图景。牛顿的运动定律,第一次以数学化的、量化的形式把自然规律表现出來。

由于经典物理学获得的巨大成功,它逐渐泛化为一种统治西方思想的哲学世界观。我们可以称之为牛顿——笛卡尔世界观。这种世界观的哲学隐喻为整个世界是一台座钟,世界被描绘成了像一台座钟那样精确运行的巨大机器——匀速、线性地运动,部件(部分)之间相互分立,只有机械联系,运动不存在任何不确定性,运动与意识无关。

这个“世界体系”的思想核心,是客观、精确、机械的数学模式,它在伽利略、笛卡尔等人那里,已经得到了相当明确的论述。笛卡尔甚至把全部自然知识等同于数学知识。这种倚仗客观的、数学的方式去了解自然现象的方法,在许多科学领域中得到采用,并且在19世纪麦克斯韦的研究理论中达到了巅峰。到19世纪末,经典物理学似乎已经发展到了相当完善的阶段,所有的物理学现象都可以通过牛顿力学和麦克斯韦电磁波理论加以描述。科学家们甚至认为,绝大多数自然界的基本规律都已经被发现,并且几乎所有的自然现象都遵循这些规律。

2量子思维方式

爱因斯坦的相对论和由一大批杰出的科学家共同提出、创建的量子理论的提出,终结了“牛顿——笛卡尔”世界观独占鳖头地位的。量子理论作为在经典物理学城堡中发生的“科学爆破”,带来了一场科学革命,进而引发人们关于世界图景的崭新理解。

2.1量子物理的成就

丹麦的玻尔,德国的海森伯,英国的狄拉克,奥地利的薛定锷,法国的德布罗意等一批科学巨匠,通过对“波粒二象性”,“测不准原理”、“几率波”,“电子自旋”、“非局部作用”,以及关于“能量场”、“全息场”等方面的研究,使与牛顿经典物理学相对立的量子物理学,从个别人的奇思怪想变成了深刻影响人们的思想并且广为人们接受的科学体系。

量子物理学打破了牛顿经典物理学唯我独尊的地位。但是,这并不意味着它可以完全替代或者“覆盖”后者,它们在许多方面应该是互补的。如果不讨论物质最终极的特性,经典物理学相对适合宏观物质世界的运动,而量子物理学则揭示了微观物质世界运动的本质与规律。

由于量子物理学所涵盖的研究对象和内容,远远超出了物理学这门学科的范围,它实际上已经成为一种带有世界观性质的更普遍的理论和思维方式。

“测不准原理”的提出者,德国科学家海森堡这样说:在人类思想发展史中,最富成果的发展,几乎总是发生在两种不同思维方法的交汇点上。正是由于牛顿——笛卡儿世界观与量子理论在20世纪的“交汇”,才有今天我们所拾得的思想牙慧。

2.2量子思维的特点

认为世界在基本结构上是相互联结的,应该从整体着眼看待世界,整体产生并决定了部分,同时部分也包含了整体的信息。

认为世界是“复数”的,存在多样性、多种选择性,在我们决定之前,选择是无限的和变化的,直到我们最终选择了,其他所有的可能性才崩塌。同时,这个选择为我们下一次选择又提供了无穷多的选项。

认为微观世界的发展存在跳跃性、不连续性和不确定性。

认为事物之间的因果联系像“蝴蝶效应”所显示的那样,是异常复杂的。

认为事物发展的前景是不可精确预测的。

认为微观物理现象不可能在未被干扰的情况下被测量和观察到,在弄清楚任何物理过程的活动中,人作为参与者总是处于决定性的地位。

3量子思维启迪现代

3.1工业文明来源于经典思维

在工业文明时代,人类要征服和研究的对象,主要是自然界,特别是宏观的物质对象。在这个文明时期,人类运用劳动对象(土地、植物、矿产、钢铁、机器等)自身的规律来开发和改造大自然,取得了足以自豪的成就。相对来说,经典物理学比较适应这个时期的实践目标。

3.2信息文明来源于量子思维

而在信息文明时代,我们面对新的研究对象——信息技术与人的思维,是不同于传统研究对象的新对象。人的思维也好,信息传递过程也好,都是看不见、摸不着、没有形状、没有重量的东西,它的物质性极弱,运动速度极快。由于物质性极弱,其最大的特征就是波动、跳跃、快速变化、不可预测。因此,量子思维方式对于我们今天所处的以人为主体的信息社会有重大启发。量子物理学的一系列结果,恰恰是人类近一百年文明的前提。如果没有量子物理学,我们根本谈不上拥有计算机,因为计算机芯片的产生就是由量子物理学决定的。我们可以说,量子物理学正是信息文明的科学基础,而量子思维方式是适合信息社会的思维方式。

3.3两种思维之不同

我们认为,在21世纪信息文明时代,人类思维方式要发生一次根本性的变化,要从“牛顿——笛卡尔”的思维方式转为量子思维方式,才能从根本上适应新时代。

在这样两种思维方式中,人的位置是不同的。在“牛顿——笛卡儿”世界观里,人基本是被动的,有着根本上的宿命性,只能听命于、适应于自然界的规律。但是在信息化时代,按照量子理论,你的测量,你的操作,你的生命活动本身,就在改变着结果。人在起主导作用、在一定的意义上起决定作用。

当然,我们毕竟生活在工业文明与信息文明并存的世界里,这里有纵横交错、极其复杂的情况发生。运用何种思维方式,要看对象和问题的性质。尼尔斯·玻尔在用他的“互补”理论解释波粒二象性悖论的时候这样说过:粒子图景和波动图景是同一实在的两个互补的描述,每一个都只是部分正确,也只能应用于受限的范围。这对我们有重要的启发。也许,新文明应该建立一个能够包容宏观、微观对象运动规律的“广义量子论”(或称“系统量子论”)体系。这也正是量子思想家们的追求,也是我们应该给予高度关注的。

4结束语