“薛定諤的貓”是量子力學(xué)里一個(gè)非常著名的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的最初目的是為了論證量子力學(xué)的不可靠性，但是最后卻叛變，成為了證明量子力學(xué)正確性的重要實(shí)驗(yàn)。但是“薛定諤的貓”這個(gè)實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)也就是宏觀世界中是永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)的。這究竟是為什么呢？
1924 年，德布羅意在其博士論文《量子理論的研究》中初步提出了相位波也就是物質(zhì)波的概念，在這篇論文中運(yùn)用了兩個(gè)最亮眼的公式： E=hv 和 E=mc2。
德布羅意把兩個(gè)公式綜合再作出假設(shè)，他認(rèn)為光量子的靜止質(zhì)量不為零，而像電子等一類實(shí)物粒子則具有頻率的周期過程。
所以在論文中他才得出一個(gè)石破天驚的結(jié)論， 任何實(shí)物微粒都伴隨著一種波動(dòng)。
這種波被德布羅意稱為稱為相位波 。
相位波
在這個(gè)博士論文中，德布羅意首次正式提出了“波粒二象性”，他指出波粒二象性不只是光子才有，一切微觀粒子，包括電子和質(zhì)子、中子，都具有波粒二象性。他把光子的動(dòng)量與波長(zhǎng)的關(guān)系式 p=h/λ 推廣到一切微觀粒子上，指出：具有質(zhì)量m 和速度v 的運(yùn)動(dòng)粒子也具有波動(dòng)性，這種波的波長(zhǎng)等于普朗克恒量 h 跟粒子動(dòng)量 mv 的比，即 λ= h/（mv）。這個(gè)關(guān)系式后來就叫做德布羅意公式。而且根據(jù)這一假說，電子也會(huì)具有干涉和衍射等波動(dòng)現(xiàn)象。
1921 年，著名美國(guó)科學(xué)家戴維森和助手康斯曼在用電子束轟擊鎳靶的實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，鎳靶上發(fā)射的“二次電子”竟有少數(shù)具有與轟擊鎳靶的一次電子相同的能量，顯然是在金屬反射時(shí)發(fā)生了彈性碰撞，他們特別注意到“二次電子”的角度分布有兩個(gè)極大值，不是平滑的曲線。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了，如果電子具有波動(dòng)性，那么電子束在通過障礙物時(shí)應(yīng)該會(huì)和光一樣產(chǎn)生衍射。
電子衍射實(shí)驗(yàn)示意圖
幾乎是同時(shí)，著名物理學(xué)家、電子的發(fā)現(xiàn)者J.J湯姆遜的兒子P.G.湯姆遜也以高速電子穿過多晶金屬箔獲得類似X射線在多晶上產(chǎn)生的衍射花紋，確鑿證實(shí)了電子的波動(dòng)性；為德布羅意波提供了又一堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 他們兩個(gè)人一起于1937年斬獲諾獎(jiǎng)。
在提出了波粒二象性之后，海森堡緊跟著給出他的不確定性原理：越精確地知道位置，則越不精確地知道動(dòng)量，反之亦然。
愛因斯坦認(rèn)為，不確定性原理顯示出波函數(shù)并沒有給出一個(gè)粒子的量子行為的完全描述；波函數(shù)只預(yù)測(cè)了一個(gè)粒子系統(tǒng)的概率性量子行為。哥本哈根學(xué)派的領(lǐng)導(dǎo)者玻爾則主張，波函數(shù)已經(jīng)給出了關(guān)于一個(gè)粒子量子行為的描述，從波函數(shù)求得的概率分布是基礎(chǔ)的，一個(gè)粒子只能擁有明確的位置或動(dòng)量，不能同時(shí)擁有兩者。
玻爾認(rèn)為人類并不能獲得實(shí)在世界的確定的結(jié)果，他稱自己只有由這次測(cè)量推測(cè)下一次測(cè)量的各種結(jié)果的分布幾率，而拒絕對(duì)事物在兩次測(cè)量之間的行為做出具體描述。
這恰恰也是愛因斯坦的相對(duì)論所無法接受的，相對(duì)論雖然推翻了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，卻仍保留了嚴(yán)格的因果性和決定論。
作為愛因斯坦的盟友，薛定諤同樣無法認(rèn)可玻爾的觀點(diǎn)，所以他提出了“薛定諤的貓”實(shí)驗(yàn)。
將一只貓關(guān)在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發(fā)生衰變，會(huì)觸發(fā)機(jī)關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會(huì)死；如果鐳不發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)量子力學(xué)理論，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就理應(yīng)處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)。這只既死又活的貓就是所謂的“薛定諤貓”。
愛因斯坦在聽說了薛定諤提出的貓實(shí)驗(yàn)之后非常高興，他給薛定諤回信道：“你的貓實(shí)驗(yàn)說明我們的意見完全相同，既包含生又包含死的波函數(shù)ψ不能被用來描述現(xiàn)實(shí)的狀況?！?/p>
現(xiàn)實(shí)世界里，貓?jiān)趺纯赡芴幱诩壬兴赖臓顟B(tài)，薛定諤認(rèn)為這非常好的反駁了玻爾，但是他忽略了一個(gè)問題，微觀世界和現(xiàn)實(shí)世界是不一樣的。
宏觀世界的認(rèn)知是無法適用于微觀世界的，量子力學(xué)的一個(gè)中心原則就是粒子可以存在于疊加態(tài)中，能同時(shí)擁有兩個(gè)相反的特性，也就是我們說的波粒二象性。
盡管我們?cè)谌粘Ｉ钪谐３Ｃ鎸?duì)“不是A就是B”的抉擇，而但在微觀世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的。
愛因斯坦那句著名的話；”上帝不玩骰子“，然而薛定諤的貓卻成為最好的論證：上帝似乎是玩骰子的。
正是因?yàn)榱孔盈B加的正確性，“薛定諤的貓”實(shí)驗(yàn)在宏觀世界中永遠(yuǎn)不可能復(fù)制，因?yàn)楹暧^物質(zhì)不可能處于“既生又死”的狀態(tài)，微觀世界和宏觀世界擁有者不同的運(yùn)行法則。
不過“薛定諤的貓”微觀世界版卻可以成功實(shí)驗(yàn)，什么意思呢？就是將“貓”替換成微觀世界中的粒子，研究人員將鈹離子每隔若干微米“固定”在電磁場(chǎng)阱中，然后用激光使鈹離子冷卻到接近絕對(duì)零度，并分三步操縱這些離子的運(yùn)動(dòng)。為了讓盡可能多的粒子在盡可能長(zhǎng)的時(shí)間里實(shí)現(xiàn)“薛定諤貓”態(tài)，研究人員一方面提高激光的冷卻效率，另一方面使電磁場(chǎng)阱盡可能多地吸收離子振動(dòng)發(fā)出的熱量。最終，他們使6個(gè)鈹離子在50微秒內(nèi)同時(shí)順時(shí)針自旋和逆時(shí)針自旋，實(shí)現(xiàn)了兩種相反量子態(tài)的等量疊加糾纏，也就是“薛定諤貓”態(tài)。
2015年瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)家就成功拍攝出光同時(shí)表現(xiàn)波粒二象性的照片。底部的切片狀景象展示了光線的粒子特性，頂部的景象展示了光線的波特性。
“薛定諤貓”實(shí)驗(yàn)在微觀世界中得到了多次的論證，這也讓薛定諤一直耿耿于懷。而“薛定諤的貓”實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)的量子疊加特性，也開始在計(jì)算機(jī)中得到應(yīng)用，也就是量子計(jì)算機(jī)。
因?yàn)閭鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)每比特非0即1，而在量子計(jì)算機(jī)中，量子比特可以以處于即是0又是1的量子疊加態(tài)，這使得量子計(jì)算機(jī)具備傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法想象的超級(jí)算力。
舉個(gè)例子，如果x=0，運(yùn)行A；如果x=1，運(yùn)行B。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)只會(huì)一次執(zhí)行一種邏輯分支，要么A，要么B，要么兩種情況各運(yùn)行一次。
但在量子計(jì)算機(jī)中，變量X是量子疊加態(tài)，既為1，又為0，因此它可以在一次計(jì)算中同時(shí)執(zhí)行A和B。這也被稱為量子比特或者叫量子位。成為了量子信息的計(jì)量單位。
也就是說，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用0和1，量子計(jì)算機(jī)也是使用0跟1，但與之不同的是，其0與1可同時(shí)計(jì)算。古典系統(tǒng)中，一個(gè)比特在同一時(shí)間，不是0，就是1，但量子比特是0和1的量子疊加。這是量子計(jì)算機(jī)計(jì)算的特性。
所以如果我們將量子比特的數(shù)量增加到10個(gè)，那么傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要計(jì)算2^10=1024次。量子計(jì)算機(jī)需要計(jì)算多少次呢？
還是1次。
我們?cè)侔蚜孔颖忍財(cái)?shù)加到100個(gè)、1000個(gè)、10000個(gè)乃至更多，看出差距了嗎？現(xiàn)有計(jì)算機(jī)要運(yùn)行上萬年的工作量，量子計(jì)算機(jī)只用幾分鐘就能搞定。
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