量子计算 9 量子力学与现实世界

“平行世界、死而复生…”，这些神奇的观点，在量子力学不同的理解角度上都是可能出现的推论。因为要将量子力学与真实世界联系起来，几乎都在围绕着一个问题讨论，就是测量问题(Measurement problem)，这个问题其实在 量子计算 3 中讨论过，即酉变换和测量，作为量子力学的两种操作，具有截然相反的性质：

• 酉变换(Unitary transformation), $|\psi ⟩\to U|\psi ⟩$: 是确定的、可逆的、大部分时间连续的；
• 测量(Measurement), 量子态以Born rule的概率$|⟨\psi |i⟩{|}^2$坍塌成状态$|i⟩$: 是随机的、不可逆的、非连续的；

如何解释测量问题，如何用量子力学来理解我们生活的现实世界，已经讨论了一百多年，有些像哲学上关于意识(Consciousness)的讨论，到最后倾向于大家说起罗圈话了，但是我们仍有必要了解了解四种主流的观点。

1 哥本哈根诠释 (Copenhagen Interpretation)

• 主要人物：尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)， 沃纳·海森堡(Werner Heisenberg)，哥本哈根研究所；
• 主要思想：经典世界和量子世界是两个基于不同规律的世界，而测量是连接两个世界的桥梁；这说明两个世界之间会有某种界限；
• 口头禅: 你要是理解不了是你自己笨，是你应该改变而不是量子力学 (If this doesn’t make sense to you, then you’re just stuck in the old classical way of thinking, and you need to change; the problem is not with quantum mechanics, it’s with you.)
• 临近观点：别瞎逼逼，好好干活 (Shut Up and Calculate)；即现在的量子力学符合实验 ，这就行了，随着实验的发展，量子力学也会慢慢发展，够用就行；

2 薛定谔的猫和魏格纳的朋友(Schrodinger’s Cat and Wigner’s Friend)

• 主要人物: 爱因斯坦和薛定谔 (Einstein and Schrodinger)；
• 主要思想: 量子力学的规则对于任意大小的事务都适用，只要有可分别的状态，真正要讨论的是在测量和观察之前事物的本质，而不是唯心的说我不去测量猫咪就不在那里；
• 薛定谔的猫: 一开始是爱因斯坦用一堆随时会爆炸的火药做的思想实验，后来薛定谔用猫咪重新搞了一下，薛定谔还是会玩的；
• 魏格纳的朋友: 魏格纳(Eugene Wigner)做了个思想实验，比如魏格纳有两个想法，想吃饺子还是想吃面条，因为他有选择困难症，所以这俩想法在叠加，而他朋友只能通过观察来确定魏格纳到底想吃啥，从他朋友的角度就变成了一个结果，这有点像是个纠缠态，但问题是不同观察者的不同角度不兼容；

3 动态塌缩 (Dynamical Collapse)

• 主要理论: Ghirardi-Rimini-Weber (GRW) Theory，Penrose Theory
• 主要思想: 当前量子力学理论还不完整，需要将现实世界包括进来，可能从量子态坍缩成混合态的过程我们需要再进行了解；坍塌前后的状态，如果能测量，那就意味着我们具备了转化不同状态的能力，换句话说，我们可以实现死掉的猫咪复生 (Aaronson)；
• 一些难点：其实这个观点有些挑战现有的量子力学，需要给出一个坍缩发生的标准，比如说原子数量、总质量或“复杂度”达到某个值，但这又和reductionism相违背，因为通常认为简单和复杂系统的基本规律相同；

3.1 Ghirardi-Rimini-Weber (GRW) Theory

GRW理论和reductionism兼容，其认为每个原子都有一定坍塌的概率，而越大的系统，纠缠的原子越多，一个原子就像是下面的一个qubit：

有一个坍塌了，其纠缠的其它原子都将坍塌，因此系统越大维持量子态越难。

3.2 Penrose Theory

当相叠加的物体质量或者距离足够大时会坍塌，因为根据广义相对论，质量会使得附近的是空间弯曲，而当前的量子力学考虑固定时间空间的居多，但是，将量子力学和广义相对论结合是物理界最难的问题之一；

且其需要面对实验中越来越大规模的量子现象，比如对于超导电路(Superconducting Circuits)，在接近绝对零度时会出现超导现象，在线圈中会叠加出现不同方向的电流，这种量子叠加现象的规模是数十亿个电子。

其对量子计算也天然持反对态度，因为其认为当系统足够复杂的时候，量子现象会自动消失。

4 多世界诠释 MWI (The Many-Worlds Interpretation)

• 主要人物: Hugh Everett, John Archibald
• 主要思想: 宇宙的量子态一直在做酉变换，而不同量子系统间互相交互，就像CNOT门，某个控制变量控制了后续的状态，而不同状态的发生概率相同，即现实会发生分叉，就出现了多个世界；或者说，观察者也可以出现在叠加态中，即一个人可以同时通过双缝；但是Everett在普林斯顿的毕业论文里提出这个想法时，其导师让他删除所有关于平行世界的表达，因为波尔等人强烈反对这个概念；
• 一些问题: 该思想的可能问题是：(1)如果不同的分支可以相互作用，那么历史也可能会改变；(2) 如果宇宙有限大，最终分支会非常多以至于宇宙不同分支最终相互碰撞；(3) Preferred Basis Problem 分支发生的基到底是什么——一种退相干理论 Decoherence Theory 认为基的选择也有物理规律可循，只有当一件事被记录了足够多次以至于很难抹除的时候才能说这件事一定发生了。