从爱因斯坦的好奇心到量子信息科技

今天我会从爱因斯坦的好奇心讲起，之后延伸到最近这些年来发展的一个新技术，就把它叫做量子信息科学或者量子信息技术。

后面可能有一些具体的内容，大家不一定了解，但是只要是有两个信息能够记住就可以，这就是整个的主题。

第一，我想告诉大家，目前的科学理论是，我们的世界不是决定论的。

第二，有了这样新的理念之后，可以来做很多有趣的事情。

世界是决定论的吗？

我从爱因斯坦一个观点讲起。

爱因斯坦应该是我们历史上最伟大的科学家之一，他有一个信念，上帝是不掷骰子的，什么意思？

大家肯定学过牛顿力学，它告诉我们，比如卫星发射之后，可以计算什么时候卫星会经过我们的头顶。也就是说，所有粒子的运动状态都是可以精确预言的。那么，如果把这个问题进一步延伸一下，就会引起这么一种概念，就是决定论。

也就是说，包括今天的演讲，是不是老早之前就被决定好了？相当于我们看一部电影的时候，尽管还没有看到电影结尾，但我们知道这个电影已经有结尾了，你的任何行为是改变不了什么的。

科幻片《西部世界》里有一位女士，她是一个机器人，却认为自己是有自主意识的。事实上，她的每一个举动都是由后台程序所设定的，下一时刻要做什么说什么，其实老早像拍电影一样已经被确定好了。

但作为一个人，内心深处其实都不太相信牛顿力学这个结论，所以霍金讲过一句话：“即使是相信一切都是上天注定的人，在过马路的时候也会左右看一看，以免被车撞到。”

这提出两个问题：第一，这个世界到底是决定论的，还是本质上是不确定的，以至于允许我们有自主意识，可以有自由的思想。

第二个，如果本质上是不确定的，那如何从物理学上来证明这一点？

单缝实验与双缝实验

我们先来做一个实验。

有一条缝，光源照过去，有强度分布，中间最亮，两边慢慢变暗。实验很简单，每天都可以重复做，拿手电筒一照就可以了。但是有科学家说，如果把光的强度进一步减弱，会有什么样的结果呢？

我们再把光源不停地减弱重复此实验，结果在屏幕上发现，在每个确定的时刻，看到一个点、一个点出现。实验重复了很多次之后，这些点的分布概率跟图中的分布是完全一样的。但是单次实验当中出现的是一个点，这就引出了所谓的单光子概念。后来的科学告诉我们，其实光是由很多小颗粒组成的；这些小颗粒就是光能量的最小单元，叫做光量子。

量子的概念最早是普朗克提出来的，普朗克从某种意义上来讲，应该算是旧量子力学的“祖父”，爱因斯坦和玻尔是旧量子力学之父，他们又是新量子力学的“祖父”，海森堡、薛定谔和狄拉克等则建立了新量子力学——真正有方程去求解的量子力学。

有了这个基本概念之后，再来做一个双缝实验。

第一次我只开左缝，会看到集中在左边的很多小点，最后的分布就是这样的高斯分布；我再打开右缝，又看到很多小点，也是高斯分布。有这样的结果出来之后，我们可以问一个问题：如果两条缝同时都打开的话，应该看到什么现象呢？

按照我们通常的观念，首先，单光子是不可分割的，单次的过程当中，应当从某一条缝过去。左缝过去的光子应该不受右缝的影响，两条缝都打开的时候，应该是一种简单的概率叠加，最后变成同时开双缝的时候，应该也是高斯分布。

下面来做一下这个实验，到底跟逻辑分析的结论是不是一致的呢？

如果两条缝都打开，屏幕上光子数目越来越多的时候，就出现了干涉条纹。做实验的人马上就会想到，这不是波的现象吗？因为经典的电磁波、水波、声波里面都有非常明显的干涉现象——波峰 波峰就是干涉增强，波峰 波谷就是干涉相消。如果按照经典物理学，光是电磁波的话，那么有干涉现象是非常正常的。

但现在的问题是，为什么不可分割的粒子表现也像波一样呢？按照道理是强度叠加，怎么变成了这么一种干涉的叠加了呢？

在量子力学里面，按照玻尔和海森堡的观点，首先光子确实是一个粒子，但是它在自由飞行的时候，光子状态是由波函数来描述的。在探测到光子之前，光子没有一个确定的位置。波函数告诉我们的信息只是在某一个点上探测到光子的概率是波函数的模平方；通过双缝之后，波函数的干涉就会影响光子出现的概率分布，就类似于经典波干涉一样。他们认为在自由飞行的时候，波函数本身代表一个光子，光子在各个地方都同时存在。

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