量子力學原理如何適用於我們的宏觀世界？

與直覺相悖的量子力學原理是如何作用於我們的宏觀世界的？是否可以確信，即使在沒有觀測者的情況下，我們的宏觀世界也不會表現出量子態？

[圖片說明]：版權：D. Parkins/Nature。

基思·施萬布（Keith Schwab）正在量子和宏觀之間搭建橋樑。根據絕大多數人的標準，這些橋樑非常微小，它們只有大約8微米長、0.2微米寬，在顯微鏡下才能看到。但是在施萬布眼裡，它們卻非常巨大。這是因為他希望能看到它們按照量子力學規律運動，而在量子力學中經常會出現古怪和難以想像的現象，例如一個粒子可以同時出現在兩個地方。量子力學通常被認為主宰著單個的原子，而這些由幾百億個原子組成的橋樑則不在它的掌控範圍之內。

這是一個雄心勃勃的目標。但是來自美國康乃爾大學的施萬布僅僅是全世界眾多有關的實驗物理學家之一，他們的共同目標是探索現代物理學最大的謎題之一——從量子力學到經典力學之間的轉變（量子-經典轉變）。在這個轉變中，隨著我們從原子大小的尺度進入蘋果大小的尺度，模糊的量子世界便讓位給了我們熟知的、確定的經典物理世界。如果這些實驗成功地證實了目前有關這一轉變的理論，那麼它將為長期以來對量子理論的成見划上句號。

在早期，量子力學家們處理量子-經典轉變就像是變戲法，他們不得不在量子力學中加入一些東西才能使它轉變到經典物理。但是現在有強烈的跡象表明，量子理論本身可以自然而然地出現這一轉變。如果確實如此，那它暗示著「經典」物理只不過是另一種量子現象而已。「有充分的理由相信，我們和量子理論所描述的微觀原子和電子一樣是量子世界的一部分，」澳大利亞墨爾本大學的量子理論學家馬克西米利安·施洛斯豪爾（Maximilian Schlosshauer）說。

檢驗新的量子-經典轉變理論牽涉到從光子到超導再到微觀振梁的一系列實驗。由於這些實驗的目的是為了尋找宏觀物體上的量子效應——類似於探測一隻蒼蠅落在舊金山金門大橋上所造成的橋體沉降，因此它們會將現有的實驗技術推向極限。除了自身很小以外，這些效應還會快速減小，以致於許多物理學家相信去探測這些效應本身就顯得荒誕可笑。「一些人會說：『量子力學當然會起作用——書上就是這麼寫的』，」施萬布說，「另一些人說：『量子力學肯定不會起作用——這些傢伙肯定是瘋了』。」

當前對這一現象的研究又有了迫切的現實意義，認識量子-經典轉變對於新興的量子信息技術領域至關重要。而這一領域有望在未來為世人提供超高速的量子計算技術以及極其安全的數據加密和傳輸技術。這些現實的應用可能要倚賴於在大尺度上抑制宏觀行為同時又維持物體量子特性的能力。

部分地來講，這是一項技術上的挑戰，而有關量子-經典轉變的實驗將有助於研發相應的技術手段。但同時這也是一個對基本理論認識的挑戰。一些物理學家認為，今天對於量子行為的解釋和當年尼爾斯·波爾（Niels Bohr）、維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）、阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）以及其他人創立並且爭論這一理論時如出一轍。「這是一個激動人心的話題，」美國馬里蘭大學的量子技術專家克里斯·門羅（Chris Monroe）說，「一些人堅持認為這裡不存在問題。另一些人則堅持存在無窮多個宇宙，每個宇宙各自對應於一個確定的量子態都有一個經典的描述。」（見「火流星」網站之《我在這裡，我在那裡》、《多重世界中的多重生活》）隨著對量子-經典轉變的解釋變得越來越成熟，將其赴諸於實驗的可能性越來越大，距離我們能夠回答這一懸而未決的問題的那一刻也越來越近。

[圖片說明]：馬克西米利安·施洛斯豪爾認為即使是「經典」的物體也有其量子的本性。版權：K.Schlosshauer / Nature。

量子特異性去了哪裡？

為了理解量子-經典轉變的真正含義，可以把我們熟悉的經典物理世界看成是一個「非此即彼」的地方。換句話說，指南針不能在某一時刻既指向南方又指向北方。與之形成對比的是，量子世界是一個「模稜兩可」的地方。在那裡，一個被磁化的原子可以毫不費力地同時指向兩個方向。同樣的情況也能發生在其他的物理屬性上，例如能量、位置或者速度。一般而言，量子世界中這些物理量可以同時具有不同的取值，因此你能描述的僅僅是這些取值的概率。對於這種情況，物理學家們將其稱為量子「疊加」態。

因此，了解量子-經典轉變的核心問題之一就是當你從原子尺度進入蘋果尺度的時候量子疊加態發生了什麼變化？更確切地說，「模稜兩可」是在什麼時候以及怎麼樣轉變成「非此即彼」的？

幾十年來，物理學家們就此提出了許多理論。但是其中最受青睞的理論涉及到了被稱為「退相干」的現象，這一現象發現於20世紀70年代、80年代被仔細研究。粗略地講，退相干是微觀粒子與周圍環境相互作用（例如，一個原子或者分子和周圍的物質發生碰撞或者光線照到它）時所出現的量子行為消失現象。留下的僅僅是該系統的部分圖像，即一個確定的宏觀世界。

為什麼會出現這一奇特的現象呢？20世紀80年代，現在在美國拉斯·阿拉莫斯國家實驗室的物理學家沃奇克·祖瑞克（Wojciech Zurek）為此提出了一個解釋。實際上，不同的量子態對於退相干有不同的耐受性。當一個量子系統和環境發生相互作用的時候，只有「抵抗力」強的態才能最終倖存下來。這些最後剩下來的量子態就是我們在經典物理中所熟悉的特徵，例如位置和速度。從這個意義上說，這些是最「優」的量子態，這也是祖瑞克及其同事將其稱為「量子進化論」的原因。

退相干同時也預言了量子-經典轉變並不關乎系統的大小，時間才是真正重要的因素。一個量子實體與周圍環境相互作用越強，其退相干的速度就越快。因此，對於越大的物體，由於其與環境相互作用的途徑更多，它幾乎可以在瞬間內完成從量子到經典的行為轉變。例如，如果一個大型分子處於量子疊加態，其同時處於兩個位置且這兩個位置相距1納米，那麼由於和周圍空氣分子的碰撞，它會在10-17秒內完成退相干。所以在某種程度上退相干是不可避免的。即使是在真空中，粒子也會由於和無處不在的宇宙微波背景輻射中的光子碰撞進而發生退相干。

施洛斯豪爾說，退相干為從量子理論轉變到經典物理學提供了一條途徑。確實，在這樣一幅圖像下，經典物理學不再是量子力學的對立面，相反它是量子力學的必然產物。

從理論上這一切聽起來都很完美，但在現實中呢？我們能確切地看到由於與環境的作用而導致的退相干嗎？1996年法國巴黎高等師範學院的塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）及其同事在光學腔中對這個理論進行了檢驗。他們讓一個具有兩個疊加態的銣原子穿過光學腔。然後，當實驗人員將第二個銣原子送入光學腔的時候，它就會受到和第一個銣原子發生過相互作用的光子的影響。但是由於光子本身的退相干作用，這一效應會變得越來越弱，因此倚賴於在第一個原子通過之後對第二個原子進行測量的時機。由此，阿羅什和他的同事通過改變測量兩個原子的時間可以觀測到退相干的過程。

[圖片說明]：沃奇克·祖瑞克提出，就像達爾文的進化論，只有「強健」的量子態才能在退相干中最終倖存下來。版權：E. Thommes / Nature。

滑門

退相干告訴我們，在量子行為向經典轉變的過程中不存在清晰的界線或者是臨界的大小。而且模糊的邊界自身也會隨著測量的方式而變化。「測量儀器的選擇決定了被測物體是量子的還是經典的，」奧地利維也納大學的安東·蔡林格（Anton Zeilinger）說。9年前他的小組通過富勒烯（C60）之間的量子干涉證明了這一點。C60的分子結構和足球極為相似，但是只能在電子顯微鏡下才能看到。干涉——交迭的兩束波出現的此消彼長——在這裡是純粹的量子效應，而且如果你把分子當成是離散的粒子的話，是不會出現干涉圖案的。除非這些分子處於疊加態，也就是說它們同時可以出現在多個地方。「如果你用掃描隧道顯微鏡掃描一個有富勒烯附著的表面，你會看到它們和宏觀物體一樣，」蔡林格說，「但是如果你用我們的干涉實驗裝置，它們就會在量子力學的作用下重新分布。」換句話說，他說：「同一個物體在一種情況下可以表現為量子系統，在另一種狀況下則表現為經典宏觀系統。」

這使得富勒烯實驗成為了一條理想的定量檢驗退相干理論的途徑。在隨後使用更大的C70分子的實驗中，蔡林格的小組發現，隨著C70分子所通過的氣體的密度不斷增加，干涉圖樣會逐漸消失。氣體的密度越高，碰撞就越頻繁，與環境的耦合就越強，因此分子退相干的速度就越快。他們發現量子相干性的衰減率和干涉的出現速率與理論預言的精確相符。現在他們在質量更大的分子上觀測到了類似的現象，這其中包括了氟化C60（C60F48）和卟啉衍生物（C44H30N4）。

「重要的一點是根據退相干的理論模型可以精確的計算出干涉效應發生的條件，」施洛斯豪爾說，「我們不必再局限於對量子和經典世界之間的模糊劃分。」

單個的分子距離我們的經典世界還有很長一段路。但是在真正的宏觀物體中也觀測到了退相干現象，例如在超導材料環中。超導是一種內稟的量子力學行為，而在超導材料環中的電流則被稱為超導量子干涉裝置（SQUID）。SQUID中的電流可以朝兩個相反的方向流動，形成一個疊加態。根據由此產生的干涉現象可以監測這些疊加態。2003年，荷蘭代爾夫特理工大學的科學家發現，用微波脈衝激發超導電流疊加態的振蕩可以用來研究退相干。在阿羅什的實驗中，當處於疊加態的振蕩之間的相關性隨著脈衝間隔變化而減弱的時候便發生了退相干。

超導電流中的疊加態似乎距離看到宏觀物體同時出現在兩個地方還有一點遙遠。但是施萬布及其同事認為，應該有可能在「大致的」一團物質中觀測到量子疊加態。為此他們採用了納（米）電子機械系統（NEMS）。這些系統非常小，因此它們的振動模式會由量子力學來支配，具有特定的能級以及特定的頻率。但是能級之間的差異非常小，因此除非在低溫下排除了熱噪音的干擾，否則這些振子的量子行為會變得非常模糊。

施萬布說，他相信他現在已經非常接近能觀測到NEMS振子在基態的振蕩。在大約25毫開的溫度下，他和他的同事已經成功地將系統的震動控制在了能量最低的25個能級上。他說，他希望能通過使用類似激光消除超低溫原子團簇熱量的主動冷卻技術來去掉剩下的所有激發態。

美國康乃爾大學的科學家已經設計了一個在NEMS共振腔中尋找量子疊加態的實驗。和在其他的量子系統中一樣，施萬布說：「一旦你觀察疊加態，你就會破壞疊加態。」因此量子疊加態只能通過其對另一個與其耦合的系統的效應來推測。施萬布的小組將會觀測共振腔和量子位之間的相互作用是如何引發量子位退相干的。量子位是一種可以存在兩種態的量子器件，猶如計算機中的二進位存儲單元。施萬布說，這一類型的耦合會產生一個特別的信號，也就是說，相干性會以共振腔的振動頻率周期性的出現。這會揭示出一個包含了數百億個原子的系統所具有的量子效應。這一系統的粒子數遠遠超過了分子干涉實驗的水平。

然而，美國加州大學聖巴巴拉分校的德克·布曼斯特（Dirk Bouwmeester）還有一個更雄心勃勃的計劃。他和他的同事計劃使用由單個疊加態光子輻射壓推動的鏡子來製造宏觀物體的疊加態。這個實驗不可避免地將牽涉到極端高精度的測量。他們計算髮現，對於一個邊長為10微米、質量為五萬億分之一千克、包含1014個原子的立方體，對其進行位置測量的精度必須要達到10-13米——接近一個質子的大小，但是通過使用干涉方法還是可行的。

[圖片說明]：安東·蔡林格說，在量子力學中你看到的取決於你測量的方式。版權：J. Godany / Nature。

煙和鏡

布曼斯特希望這一實驗可以用來檢驗英國牛津大學物理學家羅格·彭羅斯（Roger Penrose）提出的另一個有關量子-經典轉變的理論。彭羅斯認為，疊加態的「坍縮」是一個由引力導致的瞬間過程，而不是類似退相干的由環境導致的漸進過程。這一過程牽涉到輻射引力子，而引力子是引力的假想基本粒子。與之類似的過程是，一個受激發的分子可以通過輻射光子來衰變。彭羅斯認為，物體越大，其在引力勢阱中處於疊加態的成本就越大，因此這個物體會在確定的時間內完成量子-經典轉變。根據他的估計，對於一個塵埃粒子而言，完成這一轉變所需的時間大約是1秒。如果布曼斯特的鏡子實驗可以在不降低靈敏度的情況下做得更大，那麼它就能觀測到這一轉變。「雖然我對這個想法表示懷疑，但是我覺得它值得接受檢驗，」布曼斯特說。

了解量子態已經超出了對大自然好奇心的範疇，因為處理量子數據也將是未來信息技術的關鍵。通過開發疊加態提供的額外自由度，量子計算（至少對於某些計算問題）可以大幅度地提高計算機的計算能力。同時在糾纏量子位中編入數據可以為信息傳遞提供一條安全的途徑，因為對數據的截取或者是讀取都會引發可探測的、不可逆的量子坍縮。因此，認識退相干、量子系統與環境的耦合以及量子測量的基本性質在量子信息領域至關重要。「對於建造量子計算機而言，」施洛斯豪爾說，「主要的挑戰是保護計算機免受環境的干擾，以此把退相干控制在最小的程度上。而與此同時你又要使得計算機足夠開放，以便能從外界對它進行控制。對退相干的主動控制以及甚至是消除退相干效應的有關技術正推動著對量子計算的研究。」

太多的信息

乍一看，量子計算似乎是行不通的，因為在不破壞編碼「信息」的情況下是無法對疊加態進行測量的。但是10年前科學家發現，只要量子計算機背景退相干的程度足夠小，那麼貯存在量子位中的量子信息就可以通過冗餘編碼獲得。「單個有效的量子信息會被儲存到多個量子位中，」門羅說，「特定的測量方式使得即使在有退相干的情況下也能完全把信息恢復出來。」

這些裝置在工程上的挑戰之一是識別什麼導致了退相干。「對量子位編碼的方式將倚賴於導致退相干的源的細節，」門羅解釋說，「一些退相干源相比其他的要更容易復原得多。」

如果能成功地把量子計算從目前的幾個量子位放大到宏觀系統，這將不僅會對計算有一個巨大的推動，同時也有力地證明了量子效應在宏觀尺度上是如何依然存在的。「有一天我們滿屋子的儀器設備可以被認為就像單個原子那樣的單個量子實體，」在美國IBM研究實驗室從事量子計算的大衛·迪文森佐（David DiVincenzo）說。

另一方面，也許在認識量子-經典轉變的過程中，量子信息技術會揭示出它意料之外、更基本的性質。「如果在建造大尺度量子計算機的過程中，我們發現退相干總是會造成一定程度的複雜性——對應於量子力學的普適性——的話，那麼這將會是非常有趣的事情，」門羅說。

與此同時，祖瑞克認為量子信息技術中還蘊藏著更深刻的意義。他說，量子信息技術向我們展示了信息是量子理論的核心。「認真地看待信息會有深遠的影響，」他說，「也許最重要的一點是沒有表述就沒有信息。換句話說，信息只能被儲存在某個物體的某個物理狀態中。」因此，只有在信息起作用的時候，諸如退相干以及量子進化論這些概念才會起作用。他進一步說：「這些都和信息是如何傳播的有關。」

由退相干描述的量子-經典轉變並不是事情的終結，還有更多、更基本的關於量子理論解釋的問題留待回答。但是現在看起來，我們的經典世界只不過是量子世界退相干之後的產物。「『量子力學是普適的』這是認識上的飛躍，」施洛斯豪爾說，「於是一切，包括我們自己，都可以用糾纏量子態來描述。」

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