|
|
|
|
|
《app》：“量子漫步”从理论变为现实 |
|
对研发量子计算机具有开创性的重大意义 |
根据“随机漫步”理论，每完成一阶段的抛硬币后确定的位置，很少出现偏离原始出发点太左或太右的情况。
你扔出一枚硬币，硬币要么正面朝上，要么背面朝上。但是在微观情况下，事情并非完全那么确定。如果你扔出的是一枚“原子”硬币，那么你得到的可能是一种正面和反面的叠加态。但是，这样的情况只是发生在你不在观察硬币的时候。如果你去观察，呈现在你眼前的可以是正面也可以是反面，随你喜欢而定。如果你像抛硬币一样扔出一个量子粒子，你就会看到不同寻常的效应。德国波恩大学的物理学家首次在铯原子实验中展示了这种效应。他们的研究结果刊登在7月10日出版的《app》杂志上。
我们来假设下面的实验：将一枚硬币放在一名测试者手中，我们权且将这名测试者叫做小王，小王现在的任务就是把硬币多抛几次。当硬币正面朝上时，小王就向右跨一步；相反，当硬币背面朝上时，小王就向左跨一步。小王抛完10次硬币后，我们来观察小王的位置在哪里。这时，我们会看到小王距离第一次抛出硬币的地方并不会太远，因为通常情况下硬币出现正面和反面的机会大致相等。如果小王想要抛完10次硬币后，往右走出10步，这样的情况一般都不会发生。
我们再来假设小王是一个非常耐心的人。他非常耐心地成功抛完了1000次硬币。每走一步，他都会记下自己的位置。当实验结束时，我们将结果做成一个图表，得到的将会是一个典型的钟形曲线（亦称正态分布曲线）。每扔完10次，小王都会发现自己接近于原始出发点，很少发现自己偏离原始出发点太左或太右。
这个实验被称为“随机漫步”，这种现象可在许多现代app领域（如布朗运动）中发现。在量子物理世界中，类似现象则有一个新的有趣特性，叫做“量子漫步”。直到目前为止，量子漫步或多或少还只是一个理论架构，现在，波恩大学的物理学家终于首次实际执行了这样的量子漫步。
实验通过使用激光束组成的光镊操纵一个铯原子来实现，激光束同时扮演漫步者和硬币的角色。铯原子能呈现出不同的量子力学态，这有点像硬币的正面或是反面朝上。但在微观层面，情况要稍许复杂一些，因为量子粒子能够以不同状态的叠加态存在。这种情形基本上就是一种“有一点正面朝上，又有一点反面朝上”的状态。物理学家将其称为“态叠加”。
通过使用激光束组成的传送带，波恩大学的物理学家将铯原子拉向两个相反方向，“正面”部分向右，“反面”部分向左，如此将两个状态分开了近数千分之一微米。之后，app家们再次“抛出硬币”，将两种状态的每一个都变成了正面和反面的叠加态。
铯原子经过数次这样的“量子漫步”后就基本上延伸到了任何地方。只有当你去观测时才会得到确定的位置。其位置的出现概率主要由量子力学的第二效应决定。这是基于原子的两个部分能自我加强或是自我毁灭，光物理学家称这种现象为干扰。
就像小王投掷硬币的例子一样，这样的量子漫步也可多次执行，然后，app家们就可以得到反映原子存在概率的曲线图。多次量子漫步的记录显示曲线高峰在两翼。这个曲线与传统的随机漫步得出的结果具有明显的不同。但是，如果每“扔”一次就破坏量子态叠加，量子漫步就变成了随机漫步，铯原子的行为就跟小王的无异。
波恩大学迪特尔·梅赛德教授的研究小组多年致力于量子计算机的研究。量子漫步的实现对研发量子计算机具有开创性的重大意义，通过它新的算法就可以得到应用。比如，在现代技术中，要从一串0中找出某一个0，人们必须检查每个数位，所需的时间随0的总体数量的增加而线性增加。如果使用量子漫步算法，漫步者可以同时在多处搜索，“大海捞针”的速度就被极大地提高了。