复联4的量子技术逆天了，在人类宇宙中有多大可能？
作为一只从事量子技术研究的研究犬，在偷偷逃课观看《富连4》后，我们欣慰地看到，量子技术已经取代了科幻小说中常用的相对论效应，成为穿梭于时间和空间之间的新利器。那么时间机器和量子力学之间有什么联系呢？在我们的现实世界中，量子技术在电影中是多么的自负和叛逆？
最近，漫威的电影《团圆4》(复仇者联盟4)以极大的热情上映。作为一个假漫威迷，我打算去看首映式。我惊讶地发现，所有的IMAX节目不仅爆满，而且预售票价达到惊人的200到300英镑。太贵了！作者只好静观其变，等了三天，找了一天时间偷偷逃课。在电影中，英雄们通过“量子技术”成功地逆转了那一年灭霸无名指造成的影响:一半的生命被随机地丢失(湮灭)。不管漫威的量子技术是否可靠，作为一只从事量子技术研究的狗，我们欣慰地看到量子技术已经取代了科幻小说中常用的相对论效应，成为一种穿梭于时间和空间之间的新工具。
穿梭时空！可以在任何时间、任何地点回到过去，可以把自己和过去拧成一团！你可以把过去的事情带到未来！如果编剧没有及时停下来，恐怕自杀是不可能的。在这里，即使是相对论不敢触及的禁区(因果律)，在量子世界里也不叫东西。量子技术已经成功超越了相对论。在未来，如果你想穿越时空，你不需要虫洞或传送门。只要你带上上皮粒子和全球定位系统腕带，你就可以在整个宇宙中耍流氓。
《复仇者联盟4》剧照
好吧，如果我们继续谈论它，它将会非常戏剧化，并且会偏离流行科学的主题。毕竟，作者只是想避开这种热度。那么什么是量子呢？恐怕这是吃瓜者最常问的关于量子话题的问题，或者说是第一个问题。然而，一些谦虚的大科学家说，“我也不太懂量子”，这似乎意味着:谁敢说他懂量子？这让我在回答这个问题时特别紧张。幸运的是，傅连4就足够了。我认为瓜钟不应该介意再拉一次。我鼓励每个人批评我。子曾说，批评使人进步，是错误的，是错误的。它是“美德不是孤独的，有邻居。”我相信如果有批评家，就一定有支持者，对吗？
为什么量子效应难以察觉
如果你想从“量子”这个词是怎么来的开始，你可以看看伟大的上帝曹则贤的“物理咬和咬”系列。此外，曹天元的《量子力学史》用非常通俗的语言梳理了整个量子力学史。可以说，这是极力推荐的。读完之后，你还可以顺便掌握大量的“量子八卦”。对于餐馆的茶摊来说，这只是必要的谈话。然而，尽管曹二超提供了这么好的教科书式的科普，大多数瓜中人还是会问，“什么是量子？”这个问题有三个原因。首先，互联网上关于量子物理学的流行科学实际上是混杂和混乱的。第二，优秀的流行科学经常要求读者沉思以获得一些东西，而实际上大多数人缺乏这样思考的时间或能力。最后，量子力学最基本的假设——波函数及其演化规律缺乏经典对应性。因此，想象量子世界就像让人们想象外星人或四维以上的空间。几乎不可能离开大脑。
在我们谈论量子之前，我们必须首先有一个基本概念，那就是，在什么情况下我们需要考虑量子效应？毕竟，现实生活中的大多数现象都是“经典的”:物体在某些初始条件(位置、速度等)下，按照牛顿力学定律在各向同性的三维空间中移动。)。有几个非常重要的尺度，一个是能量尺度，一个是空间尺度，另一个是时间尺度。我们的星球为我们提供了一个室温(约20摄氏度)和大气压(1个大气压，约100，000帕)的环境。对我们来说，这是温暖舒适的，但对量子世界来说，这真是一个“糟糕”的环境！
如果我们能像电影中的蚂蚁那样把自己缩小到原子大小，我们会发现什么？我们会发现周围空气中的气体分子像炮弹一样向我们飞来！这些分子的平均速度超过每秒400米，比飞机的速度还要快。此外，它们密度极高。如果你移动超过60纳米(十亿分之一米)，你几乎肯定会被击中。即使你站着不动，只要超过100皮秒(约十亿分之一秒)你几乎肯定会被击中！这些分子壳可能比你更重更大。如果你的反应速度仍然正常，那就太悲惨了，因为当你的大脑恢复正常时，你已经被砸了无数次，你不知道你被打到哪里了！假设另一个观察者(比如钢铁侠)想知道蚂蚁的路线，这个观察者的观察时间大约是几秒钟，观察范围大约是几厘米。很容易想象，这个观察者只能看到蚂蚁人的“统计平均”行为，中间的所有细节都丢失了。这实际上是我们在现实生活中面临的真实情况，所以我们看到的、听到的和触摸的都是经典，量子效应早已被抹去。我们可以在实验室里看到量子效应，因为我们创造了各种特殊的环境，比如极低的温度和超高的真空，而且我们还有更灵敏的观察手段，比如电子显微镜和光电倍增管。...等等。当观察的尺度与量子效应的尺度相匹配时，我们就能发现量子效应。如果那个可怜的蚂蚁人的神经反应速度也随着体积的减小成比例地增加，他应该能够感知量子效应。
站在钢铁侠、蚂蚁侠的立场上，这个尺寸远远不是原子尺度。
用于穿梭时空的不确定性原理
在量子世界里，事情变得很奇怪。原子尺度的蚂蚁人将会变得像一个“波”一样虚幻，直到它被击中。与“粒子”的行为不同，“波”的行为具有一定的非局域性，即分布性。此外，量子力学的“波函数”本身没有可观测性，它可以是虚拟的！一旦被观察到，它会突然变成一种能给出精确物理量的状态。我们称这种状态为观察的内在状态。这种被称为“崩溃”的突变被认为是瞬间和随机发生的。在测量之前，我们无法知道波函数会塌缩到哪个测量的本征态，我们只知道概率。这些行为是如此违背直觉，以至于世界上最聪明的大脑都讨厌它们。爱因斯坦讨厌随机性，并试图证明在观察前后有一些未被发现的变量指导着进化过程(隐变量理论)。事实上，量子力学从一开始就受到广泛的批评:波函数在物理上是真实的吗？观察前后都可以用量子力学来描述。为什么“观察”如此难以形容？然而，过去一百年的大量实验事实证明，量子力学可以非常准确地描述大量实验结果，我们必须学会接受它，对吗？
有些人认为测不准原理是量子力学中最基本的东西。事实上，如果我们最初假设位置和动量之间存在不确定的关系，那么我们自然可以推断能量应该是“一个接一个”，同时应该有半个光子的“真空涨落能量”(能量量子)。
但是不确定性原理呢？在物理因果关系的经典定律中，我们相信“如果我们知道现在的确切状态，我们就能准确地预测未来”。有一个潜在的假设，我们知道现在的所有细节。不确定性原理告诉我们这是不可能的。海森堡用一个假想的实验来说明这个原理(最先使用的是“关系”这个词，海森堡自己直到20世纪50年代才接受“原理”这个术语):如果我们想用显微镜来观察电子的位置，因为显微镜使用光波，位置的测量精度取决于光子的波长。如果我们想更精确地测量位置信息，我们只能使用波长更短的光子。但另一方面，较短的波长意味着较大的光子能量/动量，测量过程使用光子和电子的散射。结果，动量信息严重丢失——我们的电子在观察后很久就不见了。
随着傅立叶变换和信息论的发展，不确定性原理有了更深刻的数学理解。通过傅里叶变换，建立了位置和动量的双重关系:位置波函数可以展开为一系列动量波函数的叠加，反之亦然。数学上，可以严格证明位置和动量不能同时限制在一个有限的区域。它们要么分布在一个无限的区域，要么一个有限的区域是无限的。这种不确定性与哥德尔的不完全性定理有着深刻的联系，因为它涉及到很多数学，所以我们就不去讨论(x)！
超级英雄们可能利用时间和空间的不确定性来实现第四联盟的穿梭。作者很好奇浩克的科学设备是如何在特定的时间和空间精确地控制英雄的。毕竟，不确定性伴随着随机性！在我们对量子态进行任何观察之前，我们无法知道它会给出什么物理结果！我们能掌握的只有概率。例如，自旋为1/2的电子有两种自旋状态:自旋向上和自旋向下。如果我们有一个可以测量自旋状态的仪器，当自旋向上时读数是1，当自旋向下时读数是-1。我们用这个仪器来测量电子的自旋，结果不是1就是-1。如果我们事先不知道自旋处于什么状态，然后我们测量它，发现读数是1，我们能从这个测量结果推导出测量前的自旋状态吗？答案是否定的，因为有无限多种可能的状态可以给出这个测量结果！顺便说一句，这个推论已经成为量子通信安全的理论基础之一:量子态是不能复制的。通过测量单个量子态来逆转测量前的状态的任何尝试都是不可能的，并且测量过程将不可避免地导致信息丢失——正如灭霸的名言:我是不可避免的。或许在傅连的宇宙中，我们已经掌握了确定不确定性的方法，尤其是天才铁人一夜之间发明了令人敬畏的时空定位手镯。从那以后，时空穿梭机就不用担心了！然而，如果是这样的话，量子通信的理论安全性现在将变得不安全。
你知道穿军装的漫威英雄吗？
发展量子纠缠
量子世界中还有一种非常奇怪的现象，叫做纠缠。不幸的是，傅连4没能用它让粉丝们迷上量子。到目前为止，纠缠的本质还没有被清楚地理解，但是许多实验已经证实了纠缠的存在。我们甚至可以认为缠结是一种有待开发的新的自然资源——就像能源一样。利用纠缠，我们可以构建使用量子算法的量子计算机，并且计算能力远远优于经典量子计算机。建造这样的量子计算机已经成为今天物理学家追求的神圣目标之一，尽管离那一天可能还有很长的路要走。
两朵花盛开，一朵一朵。让我们先回到纠缠的话题。在物理学中，纠缠表示如下:由两个或多个子系统组成的复合系统可以是复合系统的纯态，但每个子系统都是混合态的量子态。这里使用的“纯粹状态”和“混合状态”的概念肯定让大多数人完全困惑。没关系，换句话说:当复合系统处于确定的量子态时，子系统不能处于确定的量子态，也就是说，复合系统的性质不能分解为子系统性质的总和。在这种情况下，子系统之间有一种特殊的量子关联，我们称之为纠缠。
两个纠缠粒子将导致一个非常有趣的现象，这是由爱因斯坦，波多尔斯基和罗森首先提出的，是著名的EPR悖论。它大致表达如下:自旋为0的粒子(无论它是什么)在零时间被分解成自旋为1/2 A和B的两个粒子，并且彼此分离。当两个粒子相距足够远，以至于测量一个粒子不会影响到另一个时，我们测量其中一个，比如粒子A，然后得到一个结果。如果这个结果是+1/2，这意味着远处的B粒子必须是-1/2(角动量守恒要求的)，尽管我们没有干涉它！这种超距作用与相对论相反，因为相对论告诉我们，力的传播速度不能超过光速，而粒子B的状态变化发生在测量粒子A的时刻。这就是纠缠的魔力。它揭示了量子态的非局域性。这种非局部性后来被贝尔编译成一个不等式。我们只能通过验证这个贝尔不等式是否有效来验证这个非局部性。到目前为止，大量的实验已经证实了这一点。我们基本上可以确认爱因斯坦输了。即使被河汉分开，这两个纠缠的粒子仍然需要被视为一个整体。它们的属性不能分解，它们对一个属性的影响必然会影响另一个属性。这种纠缠的超距离效应被许多人用来幻想“瞬间运动”。嗯，在福莲4的宇宙中这是可能的，但是在我们的宇宙中，这可能是行不通的。
我们可以继续遵循生产者延伸责任悖论。如果分离后的AB粒子之间没有联系，则有两个观察者爱丽丝和鲍勃分别观察A和B。爱丽丝在某个时间测量了一个粒子，得到了一个结果。根据前面的讨论，此时B粒子会变成相反的状态。如果此时鲍勃也测量了B，他自然会得到与爱丽丝相反的结果。然而，问题是如果鲍勃不和爱丽丝有所接触，他就不能判断他测量的结果是由纠缠引起的，还是B粒子本身坍塌了。毕竟，有无数可能的状态可以给出这个结果！可以看出，鲍勃没有从爱丽丝的测量中得到任何信息。如果鲍勃想知道一些有意义的信息，他必须和爱丽丝交流。显然，这种通讯方式携带信息，但它不能超过光速。根据刚才的推论，如果我们想把一个“人”的信息编码成预先准备好的大量纠缠态，并瞬间传输出去，这自然是不可能的。
莫比乌斯环的表现形式
还有一件有趣的事情在傅连的第四轮，那就是莫比乌斯环。这与当前流行的拓扑物理有关。所谓的“没有拓扑，就没有物理”是一个笑话，但是拓扑在物理性质上确实起着重要的作用。在这里，我甚至不知道谁在摩擦谁的热！这显然是量子物理学中的重聚热，好吗？
起初，拓扑学只是数学家的玩物，但它不想被用于物理学。就像这个莫比乌斯环，在下图中它是一个扭曲的环。如果一个小人从戒指上的一个点沿着戒指走，他会发现自己在戒指的背面。他只能走两次才能回到原点。除非中断，否则在任何情况下，莫比乌斯环的连续变形都不能变成圆环形状。然而，在连续变形的情况下，环形物体在任何情况下都不会变成球形。然而，通过连续变形，杯子可以变成甜甜圈。如果你不相信，你可以在心里想象。在这种连续变形下的一些不变性是拓扑不变性。为了打破这种不变性，或者改变拓扑顺序，有必要克服巨大的障碍，例如打破莫比乌斯环。因此，受这种拓扑顺序保护的量子态可以非常稳定，并且这种性质有望用于构造量子比特，量子计算的基本单位。很遗憾，这超出了我的专业范围。温小刚先生是这一领域的领军人物。我真的希望文先生能就这个问题单独写一篇科普文章，这对我们是一种福气。据我所知，尽管在实现拓扑量子位方面仍然存在巨大的挑战，但是许多人对它有很大的信心，包括微软，一家大公司。
莫比乌斯环
最后，我想祝大家观看愉快。统一的宇宙是无所不能的。量子力学只是一个小道具。漫威修女穿越宇宙，直接穿过黑洞。她什么时候问起物理定律的？然而，在我们的现实世界中，许多量子力学的难题仍然困扰着我们，等待我们去探索。自它诞生以来，一百多年已经过去了。我们已经逐渐从被动地使用量子效应或避免量子效应发展到现在我们有更大的野心去控制量子态，让量子力学被我所用。这是主观能动性的飞跃，也是第二次量子革命的前奏。让我们拭目以待吧！也许在他的一生中，他真的看到了量子计算机？(量子计算技术的科普将会连续跟进，请继续关注！)
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