遇事不决，真的可以来试试量子力学

量子世界的神秘之处在于，它所描绘的东西无法被人类的宏观感知所认知为了解释这些反常识的东西，物理学家提出了很多理论和各种解释如今，伴随着量子技术的发展，这些专业术语也逐渐渗透到大众的视野中，比如纠缠，测量，消相干等等，神秘而晦涩但本文尽量不用数学公式来解释，而是将一个观察者化身到二维世界中，看看量子世界中的抛硬币是什么样子，从而帮助我们理解量子力学

上帝不和宇宙玩骰子。

—爱因斯坦

量子力学，说得好像量子力学是抛硬币一样而实际情况呢哦...其实差不多是真的量子力学的很多神秘表现，都可以通过一个抛硬币的场景来理解

量子世界和经典世界最显著的区别在于，经典世界中的不同态在量子世界中变成了同一态的不同面就像一枚硬币在空气中旋转，正面朝上和背面朝上两种状态同时存在或者更准确的说，空中的硬币其实是处于一种翻转状态，是一种正面状态和一种背面状态的叠加

当然，这个比喻也是不恰当的，就是转动态的可见性即使普通硬币没有落地，我们仍然可以看到它在空中旋转量子系统的叠加态是一个不可见的物体我们只有通过测量，迫使量子币停止旋转，才能得到一个看得见的结果

为了让这个比喻更贴切，我们先把自己想象成只知道前后左右，不知道上下的二维生物这时候我们就很难直观的理解硬币在三维空间中的滚动运动了但是，如果缺失的维度不影响我们，我们仍然可以通过实验观察和逻辑推理建立硬币翻滚的理论模型为了在数学上描述它，我们需要使用一些额外的自由度，这就是为什么虚数I总是出现在量子力学中我代表的是我们的感知无法触及，只能逻辑推演的额外自由度如果这些额外的自由度具有某种对称性，它们在物理上被称为规范自由度

有一个非常重要的规范自由度，就是量子态的相位，它刻画了整个量子态随时间的演化这也非常类似于一枚硬币在空中旋转它在空中姿态的不断变化恰好可以用旋转的相位来描述

通过抛硬币的比喻，我们不仅可以想象单个量子的演化，还可以进一步了解量子之间的相互作用具体来说，就是量子之间的纠缠最极端的纠结，相当于把两个硬币粘在一起这样，虽然它们还在不停地旋转，但它们之间的相对状态已经完全确定了当其中一个朝上时，另一个总是朝上但是纠结的种类很多，大部分都不是那么绝对，只是稍微松散的粘连当一枚硬币朝上时，另一枚硬币仍能在一定范围内扭转

为什么这些松散或牢固的纠缠关系会成立原因在于它们彼此之间的能量交换在物理学中，相互作用的本质就是能量交换而每一个从A转移到B的能量，本身都可以看作是一个量子所以用专业术语来说，我们会看到通过交换玻色子来传递相互作用的说法这些离开A去B的能量包，不仅携带了A的能量，还携带了A的转动态，因此，当得到能量包B时，或多或少会影响B的转动态，纠缠就这样建立了

借助上述图像，我们现在可以尝试理解量子力学中最容易被误解的量子测量问题量子力学诞生之初，人们只知道量子态在被测量时会坍缩成经典态，坍缩过程是一种瞬间完成的概率选择似乎这个过程很不合理，甚至有点心定物的味道

虽然量子力学已经出现一百多年了，但仍然认为薛定谔的猫在被观测的瞬间突然坍缩成死或活的状态，只要不被观测，猫就是死和活的叠加状态。于是立刻提出了一堆奇怪的问题:

如果一个盲人在做实验，会影响猫的生死吗。

如果猫自己观察，是不是物理测量。

太空深处从未被观测到的石头真的存在吗。

宇宙之所以是这样，是因为人类的观察吗。

。

类似的问题在网上反复出现其实量子力学一点也没那么诡异叠加态的消失可以简单理解为旋转的硬币落地，从而停止旋转，完全成为经典态仅此而已

但是为什么硬币的旋转会停止呢原因是测量这个动作使旋转的硬币与我们的实验设备相互作用，纠缠关系就建立了别忘了我们是在一个有实验设备的二维世界里，所以这些粘稠的纠缠会把三维空间里旋转的硬币压平，最后老老实实的躺在我们的二维世界里，成为纯粹的经典状态

从此我们知道，粒子从叠加态简并到经典态的过程，并不是无意义的瞬间坍缩，而是需要一个弛豫时间的物理过程只是这个过程太短暂了，我们无法感知而且这个过程与人的认知意识无关只要发生足够的能量交换，叠加态就会被环境拉平，退化成经典态知道了这一点，我们就不要再用坍缩这个误导性的词来描述这个过程了，要用退相干这个词

此外，这个图像可以帮助我们理解量子力学中的一些其他特性举个例子，测不准原理无非是把硬币变成骰子，骰子的一些边与其他边垂直，所以当一个边被我们的二维世界拉平的时候，与它垂直的其他边就变得对我们完全不可测量了

最后需要注意的是，量子测量会改变被测物体的状态，这是我们在二维世界中不得不面对的无奈当我们在量子计算机中使用量子比特来记录和处理信息时，它就像是一枚硬币，在使用的瞬间转动，而不是平躺在地上的经典比特这个时候，我们就不能像使用经典电脑一样，只是读取比特中的信息因为每次读取必然会破坏硬币的旋转，从而破坏量子位中的信息

所谓量子计算过程，就是在不测量的情况下，小心翼翼地调整自己的旋转姿态，也就是执行算法最终读数只能在所有计算过程完成后进行一次如果一个量子比特在这个过程中不小心与环境发生了相互作用，就会发生退相干，量子信息就会被破坏为了避免这种情况，研究人员不断寻找各种方法技术的常用手段是尽可能降低环境温度，可以降低能量包量子发射和吸收的概率同时，原则上，研究人员也在寻找更强的量子态作为信息载体，比如拓扑量子态，它可以在更高的温度下保持其信息的完整性

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