在前面的内容里,我们反复提到了测量或者观测的重要性。
在我们所有的故事里面,进行测量的时刻似乎就是最神奇的一瞬间。
在那一瞬间,被观测的波变成了粒子,函数就运行成了结果,一切随机消失了变成了具体的物理量,一切数学抽象也变成了物理实在。
测量之前,一切实体似乎都不存在,一切物质似乎都只是代码,一切客观都没有意义,但是测量的那一瞬,世界突然具象了,你看到的就是实体,感知的就是物质,测量的就是数值,所有一切都是客观又真实的。
然后,测量结束,一切就又恢复了虚无的状态,波还是波,函数还是函数,它们从你测量结束的时候重新虚化,粒子的出现需要等待你下一次的测量,所有的客观又消失在系统之中,而你似乎只是用测量的方式给时空打了一个小小的结而已。
如果说,我们的整个宇宙只是高维世界向下的一个投影,那么平时它肯定只是蜷缩在高维之上的,只有我们在测量的时候,它才会吝啬地向低维世界投下一个短暂的投影,而且还只是把部分影子投向被你测量的维度而已,而它全部的秘密则永远保存在更高的我们永不可探知的超世界里。
所以,我们甚至可以看作在没有测量的时候,整个宇宙是不实际存在的,是虚无状态的,只有测量的时候才会推动整个宇宙在时间轴上的跃进到当前状态进行结算。
有人说,这也太不唯物主义了吧?
可是唯物也只是一种经验主义,这个宇宙的运行逻辑告诉我们,这种经验同样只是测量带来的。
如此神奇的测量,它的本质究竟是什么呢?
很遗憾,这个问题看似简单,可量子物理学发展到今天,虽然在无数精英天才科学家的努力之下,量子理论也经过了各种飞跃式的发展,但我们还是无法回答这个问题。
不论现在多么先进的理论都还不能给测量一个准确合理的定义,测量的秘密一直横亘我们面前,形成了对我们认识量子世界的最底层规律的最大阻碍。
在当前的物理学界,对于测量,不同的理论有着各种不同的解读,但可以说没有任何公认的理论能准确阐述清楚测量的真正物理含义,大家对这个充满主观色彩的概念还有相当多无法认清的地方。
比如说我们很难分辨不同的人进行测量有没有区别,人在不同的精神状态下测量有没有区别,动物或者其他生物甚至微生物观测算不算测量,现在或者未来的智能 AI 观测算不算测量,通过仪器设备间接的观测算不算测量,通过复杂的逻辑推导得到的信息算不算测量等等,此外还有各种外界干扰会如何影响测量。
我们只能用实验去检验到底什么行为会引发波函数的坍缩过程,但是仍然总结不出普适的规律。
传统的哥本哈根学派认为有意识参与的测量才会引起坍缩,可是这更麻烦,还得解释意识是什么,这又涉及到哲学和生物学,最后连客观和主观的界限都被搞模糊了。
而且,有时候似乎用意识解释也不够完美,某些实验里,波函数在传递过程中的一些路径信息泄露出去了,但是测量还未发生,但似乎也会引起坍缩效应,也就是说可能发生的测量也对波函数有影响。
在我们看来,波函数是那么的脆弱,一点点的扰动,或者是外界的刺激似乎都可能破坏它的非实在状态。但有时候,它跨越千万光年,甚至穿越无数星辰似乎也没有受到太大影响。
所以,现在有一些更时髦的理论在尝试用一些更复杂的定义来摆脱主观行为对测量行为的影响。比如量子引力理论里解释,如果量子的某个态对空间曲率的影响超过了某个质量数值就会引起坍缩等等。
嗯,上面这段话我们还是当做科幻作家为了装 x 的安排的套话比较好,可能科学家有时候也需要放飞一下思想吧。
我们如果翻开现有的量子物理学的课本,翻到测量理论的章节,多半都会看到类似的句子:「……这里的测量是一个抽象的概念,我们先不讨论用什么仪器进行测量,也不讨论现实中这种测量可不可行,只是假设存在『测量某个物理量』这种操作。」
看,这似乎也是一种「闭嘴去算」的观点,反正现在大家都说不清楚,那么我们就先用模糊的认识来理解它的规律吧,反正最后都是需要用实验来检验的。
既然如此,我们作为普通读者自然也不需要去深究什么是测量。我们还是可以保持我们虚拟世界视角中的模糊理解:测量就是对虚拟代码的一种运行行为,把波函数的代码拿过来,让我们设法去润一下得到一些结果,那就是测量了。
所以,如果你曾经尝试过编程,那么我们可以尝试用这样一个语句来表示一个量子的波函数:
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模拟的量子函数
我们将某个波函数定义为 Q 的话,当我们需要观测它的时候需要对它输入一个测量量「i」,这个可能是磁场,光屏等等,然后,Q 就将根据我们的输入反馈回一个观测值。
我们希望得到什么,那么我们就可以输入什么给它,非常好用,而且绝不拖泥带水。
比如,粒子的自旋属性就是一个很好的例子。
这里我们需要介绍在物理史上一个非常有名的实验,叫做斯特恩-盖拉赫实验(Stern-Gerlach experiment)。
这个实验非常非常的简单,甚至比我们之前介绍的延迟选择,或者无事实通信都要简单,但是其实验现象却是非常惊人的。
什么是斯特恩-盖拉赫实验呢?
这个实验是德国物理学家奥托·斯特恩和瓦尔特·格拉赫在 1922 年完成的一个非常简单的实验,整个实验用一句话描述就是:我们将一束原子通过一个不均匀的磁场之后,观察原子运动受到的影响。
就这么简单一个实验,实验设备也很简单。
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斯特恩-盖拉赫实验示意图
主要器件有三部分:一个原子加热发射炉,两块特殊形状的磁铁,感光靶子,完了。
当然,实验看起来很简单,但是实验结果一出来,神奇的事情就发生了。
当年最早实验用的是银原子,人们把原子发射出来穿过磁场后打在靶上,分成了上下两束打在靶上,留下了两条分裂的暗斑图案。
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左边是没有添加磁场的靶图,右边是添加磁场后分裂的图案
这个实验结果很诡异,诡异在什么地方呢?
首先,中学的时候我们学过带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力,因而会偏转。但是,这里用的是普通的银原子,整体并不带电,不带电的粒子在磁场中为什么会偏转呢?
其次,如果大家都是同样的银原子,磁场也是一样的,按理说,即便是银原子会受力偏转,大家的轨迹也应该是一样的啊?那为什么它会分裂成两束呢?
还有,实验中用的是一个 N 极是尖形,S 极是凹形构成的不均匀的磁场。
为什么要用不均匀的磁场?如果磁场是均匀的,那还会有这样的结果么?
怎样,这个实验看似简单,但是却和双缝干涉实验一样,在简单的现象里面蕴含着大量难以用经典物理学解释的现象。
这说明这个实验也一定是一个大宝藏,我们如果能弄明白背后的规律,一定会有惊人的发现。
后来的确如此,人们从中发现了非常重要的量子特性。
好了,我们先不剧透,还是从前面说到的问题一个一个谈起。
首先,为什么中性的原子在磁场中会偏转?
问题的关键就在「不均匀」这三个字上,因为磁场是不均匀的,所以它才会偏转。其实验证过,如果改成了均匀的磁场,银原子就不会偏转了。
银原子在不均匀磁场中偏转了,那肯定表明它受到了什么力。
一个粒子如果想跟电场发生相互作用,它必将具有电荷。一个粒子想跟磁场发生相互作用,它就必须具有磁矩,而磁矩是正比于角动量的。利用电磁学知识进行简单的计算,我们会发现银原子在磁场中受力大小正比于角动量和磁场在这个方向上的变化率。
也就是说,银原子的角动量越大,它受到的力越大,磁场在运动轴线方向上变化得越快,这个力越大。
所以我们可以得出结论:如果你给的磁场在 z 方向是不均匀的,而且你的银原子又具有一定的角动量,这个银原子就会在 z 方向上偏转。
有了这个结论,问题看起来前进了一步,但依然非常棘手。
为什么?
银原子想在磁场中受力,需要满足两个条件:
第一,磁场不均匀;
第二,银原子具有一定的角动量。
不均匀的磁场好说,我们确实给了一个不均匀的磁场,但银原子的角动量从哪里来的?
我们知道,一个物体只有旋转起来,它才具有角动量。
银原子具有角动量,难道银原子本身就在旋转?
而且,就算银原子在旋转,按照经典物理学看,大量银原子会做无规则的热运动,它也肯定是转得快的有,转的慢的也有,朝上转的有,朝下方转的也有。
这样的话,那银原子的角动量的矢量应该是各种各样的都有,那银原子受到的力也应该是各种各样的。
那么,受力大一点的,它就偏转得远一点,受力小一点的,它就偏转得近一点。而且不同旋转方向和角度,在偏转的方向也应该不相同。
所以,最终呈现在屏幕上的,也应该是距离中点从近到远,一整条线上都有银原子。
那最终的结果,就应该是靶子上出现一条线,而绝不应该是分裂成两束,在靶子上打了两条线啊。
好吧,我们再整理一下思路:实验中银原子只分裂成两束,一束朝上,一束朝下,并且距离相等。
那就只能说明:那一堆银原子只受到两个力的作用,一个朝上,一个朝下,并且这两个力大小相等,方向相反。
银原子的磁矩只能来自于自转,而磁场又是一样的,银原子只受到两个力,那自然就说明:银原子的角动量只能取两个值,并且它们大小相等,方向相反。
发射炉里飞出了无数的银原子,但是它们的角动量却只能取两个值。
那么,这个角动量就绝对不可能是由于银原子的无规则热运动引起的,也不可能是银原子自己围着什么轴旋转带来的角动量。
按照福尔摩斯的名言:「排除一切不可能的,剩下的即使再不可能,那也是真相」来思考的话。
唯一的结果就是:银原子自己本身就带有一种角动量,而这个角动量只能取两个值,它们大小相等,方向相反。就像一个粒子自己本身就带有电荷,正电荷或者负电荷一样。
学过化学的同学都知道,银原子由 1 个原子核和 47 个电子组成,47 个电子中有 46 个电子都呆在内层轨道里,可以看作是一个净角动量为 0 的球对称电子云,如果再忽略原子核的转动,那么整个银原子只有一个角动量,它就是来自最外层第 47 个电子的自旋角动量,由于原子核比电子重得多,整个原子作为一个整体拥有一个磁矩,所以它应该等于第 47 个电子的自转磁矩。
所以,其实银原子在磁场中表现出来的偏转和分裂实际上就是它的第 47 个电子的转动造成的。
其实这也是我们选择银原子做实验的原因。因为它的最外层只有一个电子,所以角动量的取值只有两个,这样问题就比较简单。如果我们选择其他元素,最外层有三四个电子,那它们经过不均匀磁场的时候,角动量彼此组合,还不知道要分裂成多少束呢。
那么,这个案子的罪魁祸首我们就逐渐清晰了,原来不是银原子具有奇怪的角动量,是它那个最外面第 47 号的小电子带的。这说明不同原子最外层的小电子之间具有大小相等,方向随机相反的角动量。
带角动量,那不就是在旋转吗?
哇,这是新发现的一个粒子的属性,从带角动量的角度来看,似乎应该叫自转。
可是,科学家计算了一下马上发现,叫自转似乎不太合适,如果是电子在高速自转的话,按它的角动量来算,其表面的转动速度居然超过了光速,这是不可能的。所以这不可能是电子在自转,但是它又表现出有角动量,这咋办呢?
于是,科学家只好把这种粒子看起来像是在旋转,但是又不是普通意义上的类旋转特性叫「自旋」,以示区别。
后来,科学家们越来越发现不能用「旋转」这种我们熟悉的日常概念来形容粒子的这个神秘属性了,因为经过计算和实验,科学家发现有的粒子转了两周才回到原位置,有的则和宏观物体一样转一周就算一圈,但是还有些粒子是转三周算一圈的,甚至有转 4 周算三圈的。这些被分别称为自旋数为 1,1/2,1/3,3/4 等等,转法是五花八门,各种不同。
你如果非要揪住一个科学家来问,电子到底在干嘛,他多半都会耸耸肩,然后说:「不知道,反正我们在日常生活里看不到这种奇怪的现象,这是微观世界特有的,你问那么多干嘛?」
反正就是说不清楚,不要问,再问就摆公式!生活总要过得去,你就先这么理解好了。
当然,标准说法是:「粒子的自旋是其一种与生俱来的内秉属性,十分特殊,没有经典对应。」听听,内禀属性,就跟你天生的性别一样,与生俱来,没啥道理可讲(但其实,你如果不把电子想象成为一个实体,这个问题就不那么难理解了,一个虚拟函数有什么转不转的呢)。
那么,我们现在真的了解斯特恩-盖拉赫实验了吗?
没有,真正魔幻的部分还没开始呢。更精彩的是这个实验的后续升级版本:级联斯特恩盖拉赫实验。
级联斯特恩-盖拉赫实验,顾名思义,就是我们把磁场像多级火箭一样串联起来,然后看银原子连续通过磁场会发生什么事情。
接着,我们来个一键三连,哦不,是三次连续的递进实验。
第一次实验,在之前的原始版本实验里,我们让银原子先通过不均匀的磁场银原子分裂成了两束,现在我们把分裂出来的两束的下面那一束挡住,让上面那一束再次经过一个相同方向的不均匀磁场。
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第一次实验
我们看到了什么?第一次通过磁场的银原子再次立马通过相同方向磁场,银原子依然只有一束,并没有再次分裂成两束。
你会说,这有什么好奇怪的,刚刚不是才通过磁场挑选出了相同自旋方向的原子,接着连续通过相同的磁场当然不会再分裂了。
好,我们其实只是确认下,磁场确实是选择出了自旋方向都一致的原子。
接着,我们开始第二次实验。
第二次实验:这次实验跟上次类似,也是两级的级联。跟实验一唯一的不同,就是银原子第一次通过上下方向(也就是图中的 z 方向)的磁场分裂成两束后,我让上面的银原子再次通过的磁场是左右方向的(也就是图中 x 方向)。
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第二次实验
也就是说,银原子第一次经过的是上下 z 方向的磁场,第二次经过的却是左右 x 方向的磁场。但是,实验二的结果却跟实验一不一样,银原子经过第二个 x 方向的磁场时,居然又再次分裂成了两束。
这意味着啥?这意味着通过第二个磁场的时候,上分束的银原子在 x 方向上的角动量也可以取两个值。
通过第一个 z 方向磁场的时候,银原子分裂成了两束。我们挡住下面那一束,让在 z 方向上只能取一个值的上面一束(实验一的结论)再次经过 x 方向的磁场,结果在 x 方向上又分裂成了两束。
当然,这个结果似乎也并不是那么难理解。因为我们第一次只是筛选了一下 z 方向的角动量,并没有筛选 x 方向上的,也许很多原子就是斜着在自旋呢,因此,我们觉得第二次经过 x 方向的时它再次分裂也不是很奇怪,除了感觉分裂出的每束为啥感觉原子数量都一样呢?角动量随机的这么均匀吗?
那么,如果我在后面再加一个磁场呢?
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第三次实验
第三次实验:在实验二的基础上,我们又加了第三个磁场,还是上下 z 方向的磁场。也就是说,我们又一次让银原子面临与第一个磁场相同方向的筛选。
那么,经过了一次 z 方向磁场,一次 x 方向磁场的双重筛选之后,我们让剩下的银原子们再次经过 z 方向的磁场,你们猜结果会怎么着?
你是不是想,第一次经过 z 方向磁场,我们已经把所有的银原子分成了上下两部分,我们去掉了下面的一束,那剩下的银原子在 z 方向上的角动量应该都是一样的了。
同样,第二次经过 x 方向磁场时,我们相当于把银原子在 x 方向上又筛选了一遍,再去掉了左边的一束,经过了第二磁场以后,每一束银原子在 x 方向上的角动量应该都只有一个确定的值了。
那么,经过了两轮筛选后,我们要的银原子在角动量方面应该已经很纯了,剩下这束原子在 z 方向和 x 方向上的取值应该都是完全一致了吧。所以,后面不论是再经过 z 方向的磁场还是 x 方向上的磁场,银原子应该都不会再分裂了对吧?
而且,我们在实验一里面还刚验证过了,上下分束的银原子再通过相同 z 方向磁场不会再分束了,重复相同的筛选是不会导致银原子再分束的。
但是,结果让人大跌眼镜:经过 z 方向和 x 方向的两个磁场以后,让筛选后的银原子第二次通过 z 方向的磁场,银原子居然又分裂成了两束!
纳尼?为什么!
这好像是给了你一把围棋子,其中有黑有白,有毛面有亮面。
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挑选围棋子
让你先把黑子挑出来,你挑了一半出来,把围棋分成了黑白两堆,然后让你再把黑子堆里面的毛面的棋子再挑出来,你又挑了一半,把黑子又分成了毛面和亮面的两堆。
这时候,居然又让你把毛面黑子堆里面的黑子再挑出来,你虽然很疑惑,但是还是照做了。
可是,你居然再次只挑了一半出来,把剩下的毛面黑子又分成了两堆。你定睛一看,最后挑出来的两堆,另一堆居然又是白子!
哪里来的白子,我刚才第一次不是把白子都挑走了吗?
这是怎么肥事?这不科学!
你决定冷静一下,再试试。
你收拢棋子从头来:把黑子先挑出来,把围棋分成黑白两堆,这时候你直接在黑子堆里面再挑黑子。结果全都挑出来了,并没有白子,没有再分成两小堆,世界似乎又正常了。
可是,你再试验一次,还是按最先的顺序来,先挑黑子,再挑毛面,再挑黑子。结果最后又分出两堆来了:1/4 堆的黑子,1/4 堆的白子。
那么我们去第一次分出的白子堆里面也挑一遍毛面或者亮面之后,再挑黑子呢,还是一样:1/4 堆的黑子,1/4 堆的白子。
这下更离谱,连白子堆里都挑出黑子来了!
先冷静一下,咱深吸一口气再想想这中间发生了什么?
你感觉到问题出在哪儿了吗?
对,就是中间多挑了一次毛面亮面的,不多挑这一次,棋子颜色就不会发生变化,但是多挑一次以后,棋子的颜色就又回到最初的混合状态去了。
其实先挑的什么不重要,哪怕是我们先挑的毛面亮面,再挑黑白也是一样。似乎只要用不同的挑选维度挑选一次棋子,就会重置棋子在其他维度上的叠加状态。
对,就是这样!我们用不同的维度测量一个粒子的话,会重置这个粒子的其他维度的状态,而粒子根据测量随机表现的状态会保持直到下次你用新的维度来测量。也就是说,粒子的叠加状态是可以用测量的方式来刷新还原的,这在经典物理学里简直是匪夷所思。显然,这又是一个典型的量子现象。
还记得我们之前模拟的那个量子函数吗?
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模拟的量子函数
这个函数的输出结果其实是取决于你的给与的输入参数 i 的,它本身就只是一个响应测量参数 i 的概率函数而已,所以你给与不同维度的测量参数就会获得不同维度的输出结果,而它本身似乎没有任何固定状态,只是一个测量反馈器而已。
在各种各样的实验中,科学家们都验证了类似的量子现象。
比如我们就可以用不同角度的偏振片不断刷新光子的偏振状态,用一个非常简单但是很有趣实验就可以很好说明这个现象。
实验非常简单,就是你用两个互相垂直的偏振片交叠,就会发现阻挡住了所有的光线,可是如果你在两片偏振片中间再额外加一个 45 度角的偏振片以后,会发现居然反而还有 1/8 的光线透过去了。
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偏振刷新实验
感觉非常奇怪吧,为什么本来都不透光的情况下,为什么再多加上一个偏振片反而又可以透过部分光线了?
这个过程其实就是我们先用垂直方向的偏振片 A 筛选出垂直方向偏振的光子,然后再用斜向 45 度方向偏振片 B 再筛选一遍,然后最后再转 45 度又变成水平方向偏振片 C 进行最后的筛选。如果中间没有 B 的话,将没有任何一个光子可以通过 C,因为垂直偏振的光线是无法穿过水平偏振片的。
但是经过中间多出的一轮 45 度偏振片 B 的筛选后,穿过 B 的 1/4 的光子就会「忘记」之前它上轮是垂直方向偏振的,并将自己的状态更新成为 45 度方向偏振,所以等到达 C 的时候,它们还是会有一半 1/8 的光子最后穿过了水平偏振片。
本来垂直方向偏振角度的光子是 100% 无法穿过水平偏振片的,只是光子们记不住前一轮发生的事情而已,它们在刷新改变了自己的状态,并把自己经历过的事情给忘了!
这个实验虽然很神奇,但器材随手可得,所以人人都可以在家做做看。你只需要找两幅观看 3D 电影用的偏振眼镜,把镜片拆开来就可以亲自感受一下神奇的量子测量刷新效应。
做完是不是感觉光子还有其他的基本粒子们,似乎和银原子一样都有很不好的记性。我们每用不同的方式测量一次,它都会标准的按照当前测量的维度给出一半一半的随机状态,无论这个结果是否会和前面的测量结果矛盾。
这能用正常的物理实体来解释吗,这没法解释!
看来我们这个世界的设计者,那位上帝码农,似乎在这个现象上一点都不打算不掩饰量子们的虚拟状态。他好像是有点草率的设计了一个非常简陋的波函数的模板(有点像 C 语言里的父类)套给所有的粒子们使用,波函数虽然内部有复杂的数值叠加,但是模板的输出类型却被定义成了量子化的数值类型,只能以有限的状态输出。因此,波函数在被测量的时候,就只能按照当前测量的内容在有限的状态中随机一个来输出,更准确说,就只能在指定的两个状态中选一个输出。
打一个不恰当的比方,这就好像某个女生问她的男朋友:「你爱我吗?」
男生内心顿时处于一种复杂的叠加状态中,他似乎想用千言万语来回答这个问题,但是女生告诫道:「你只能回答爱,或者不爱,不许废话!」
于是,男生内心的复杂想法一瞬间就坍缩了,然后随机成一个确定或者否定的结果输出出来。
如果女生多问几次,而男生又没有精神崩溃的话,那么女生就可以得到一个男生在当前状态下的内心里爱与不爱的坍缩概率,从而得知他内心感情的叠加状态中究竟是有百分之多少是爱你,百分之多少是不爱。
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来测量一下
嗯,上面我只是打个比方而已,建议各位女生还是不要用这个办法去测试自己男朋友,相信我,在没有计算清楚坍缩概率的情况下,贸然测量一个男生远不如先保持他的自然叠加态:)
好了,还是说回我们的小电子们吧。
所以,我们如果是测量电子的自旋,电子在任何方向上看都是随机各 50% 的相反方向,这和它的物理实体的状态无关,或者说量子本来就没有物理实体,所以根本没有什么某个小球在旋转之类的传统几何学概念。
咱们就把量子想象成我们游戏里的宝箱就好了,既然被设定成为 50% 的几率会开出金币,那么你无论什么时候打开它们都是精确的 50% 的几率,那怕是你刚专门挑选出了那些肯定有金币的宝箱,你只要折腾几次刷新它以后,再打开你会发现还是只有 50% 的宝箱里面有金币。
中间关上宝箱看看别的内容再重新打开这个过程,其实就相当于我们做了一次其他测量刷新了量子的当前状态。否则你一直盯着宝箱里有没金币,宝箱的金币状态也还是不会凭空变化的,量子宝箱能保持当前状态直到被再次测量。
那么如果我们想确定一个宝箱里面到底是什么的话,就必须打开这个宝箱确认,而且打开以后就不能随意再关上,否则宝箱的内容又会重置。
量子的这个健忘的特性让科学家们很头疼,因为有时候科学家们就是非常想知道宝箱里面是什么,但是又不希望打开它。可是量子们就是这么神秘,它就是不允许任何人随便看,一旦看了,量子的状态就会发生不可逆的改变。
你看,所以说女生不能随便问男生那个二选一的问题,一旦问了,那么原来的状态可能就回不去了。
这怎么办呢?
如果我们只是游戏里面的普通玩家,自然是没有办法的,但是我们现在已经摆弄起了上帝的工具箱,开始利用量子的规律重新理解世界了,那么能不能找到一些偷鸡的办法,在不打开宝箱的前提下偷偷估计出宝箱里面的内容呢。
确实可以,这就是现在量子科技里面最神奇的一项技术:弱测量技术。
当然,解释弱测量技术的具体方法会非常的复杂和专业,我们也不用去了解技术细节。但是其基本原理就是:我们不去直接测量我们想要测量的量子对象,而是找一个其他辅助的仪表量子来和测量目标发生耦合关系,然后再去测量仪表量子的数值,从而实现间接去预测目标的可能状态的效果。
这就厉害了,一听就是真正的神级操作,居然敢偷窥上帝宝箱里的秘密。
不过其实码农们应该都很熟悉这一套,这不就是某种内存探针工具,或者调试运行模式吗。既不干扰目标程序的状态,又能从内存中取出一些实时数据来预估运算结果。
当然调试一个波函数的过程要非常的小心翼翼,我们要用非常弱的方式去感知它才不会导致波函数的坍缩,就像打听男神的心思一样。
所以,对于女生来说一个更好的间接手段就是去问目标的好兄弟:「他有经常提起过我吗?」
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间接测量一下
这真是一项巧妙的技术。
我们对于弱测量这里就只简单介绍一下吧,总之这还是非常前沿的一项技术,期待未来弱测量能帮助人们更进一步的了解量子在非观测状态下的规律,让我们也能监控到宇宙内部代码的运行状态。
好了,再回到我们的测量实验上。
这章我们利用一个神奇的特恩-盖拉赫实验深刻的认识了测量在量子世界的重要而又神奇的作用。
其实对于一个量子进行角动量方面的测量研究是非常非常烧脑的一件事,量子除了诡异的自旋方向外,具体到角动量数值上更是难以捉摸,测不准在量子的角动量特性上表现的几乎是淋漓尽致。不过介于本文的科普性质,我们就不展开讨论更多这方面的内容了,有兴趣的朋友可以参看一些更专业的书籍。
对于量子测量的问题的研究非常反映了人类科学界的务实态度,你看,虽然到现在为止,科学家们还搞不清楚测量究竟是一种什么物理过程,但是却不妨碍他们在实验的基础上已经开始把测量的特性用到实际应用中去了。
还记得之前讨论特恩-盖拉赫实验时候,我们发现了量子的一个神奇特性吗:当量子被某个维度测量过一次后,它就会一次性的记住当前自己随机的状态,直到被其他维度的测量重新刷新。但是,这种已经被测量过的状态信息,别人却是无法获知的,因为要获取状态就要进行新的测量,而新的测量则会破坏上一次测量留下的状态,因此量子的当前状态就成为了一种只有上次的测量者才知道的秘密。这种单向的秘密特性显然可以被利用到加密技术上,这只需要我们把上次的测量基视为一种私钥就可以了。
所以鉴于这个特性,科学家们就设计出了最早的量子加密协议——BB84 协议,只用测量就完成了不可无痕窃听的量子加密通信技术。BB84 协议可以说是完全基于特恩-盖拉赫实验的效应设计出来的具有绝对安全性的通信加密技术。
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世界上第一个量子密码协议
量子测量能用于实际的加密技术正是对这种奇妙现象的最有力的证明,从虚拟视角来看,这正是提示我们要把虚拟世界里的代码和代码输出结果两者区分开,不要简单地认为你测量到的事物就是它真实的样子,这只是它现在响应你的观测需求输出的结果而已,而它真实的样子你永远不可知,甚至连上次测量的维度和输出结果你也永远不可知,你能知道的,只有当前概率。
好了,关于测量的内容我们就先介绍到这里,下一站我们将去见识量子世界里另一个非常重要的量子现象:全同粒子,同时认识一下基本粒子的两大类别:玻色子和费米子,了解下它们和我们整个宇宙架构之间的关系。