《量子力學(xué)與哲學(xué)》參考資料退相干效應(yīng)

從多世界解釋到量子計算——淺談退相干效應(yīng)任春福物理學(xué)0210218一﹑緒論

按照費恩曼的觀點,量子力學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)之間最重要的區(qū)別在于,量子力學(xué)遵從的是用態(tài)函數(shù)或者躍遷振幅表示的概率幅度的疊加規(guī)則,而經(jīng)典物理學(xué)則服從概率疊加的規(guī)則。換句話說,在量子力學(xué)里存在著概率幅之間的干涉,而經(jīng)典物理學(xué)里則不存在這樣的干涉項。簡單地說,退相干效應(yīng)指一個量子物理學(xué)系統(tǒng),由于與其環(huán)境不可避免的相互作用,使得系統(tǒng)所處的、由某個觀察量的多個本征態(tài)相干疊加而成的狀態(tài),不可逆地消去了各個干涉項,使系統(tǒng)的行為表現(xiàn)得就像經(jīng)典物理學(xué)系統(tǒng)一樣。例如,設(shè)有一個粒子,用隔開一段距離的兩個一大一小的高斯型波包疊加起來的一維態(tài)函數(shù)描寫,在密度矩陣的圖示(圖1ａ)里可以看到,除分別代表粒子落到這兩個波包的概率的兩個對角項之外,還有處在非對角位置的兩個交叉項即干涉項.那么,退相干效應(yīng)說的就是,環(huán)境的影響會使密度矩陣的非對角元基本消失,實際上只留下兩個對角元,亦即是變成同經(jīng)典物理學(xué)一樣的概率分布(圖1ｂ).要指出的是,上面所說的量子系統(tǒng),實際上就是任意的物理系統(tǒng),不僅包括微觀對象,而且還包括宏觀對象,甚至整個宇宙那樣的系統(tǒng).這里采取的是馮諾伊曼觀點,認為宏觀系統(tǒng)亦能夠用量子力學(xué)描寫,都可以用薛定諤方程求解它的演化過程.在一個便于計算的模型里,把環(huán)境看作是由大量諧振子組成,并且化成一個等效的標量場.設(shè)在坐標表象里,在標量場里運動的、質(zhì)量為ｍ的粒子的密度矩陣為ρ(ｘ,ｘ′),從路徑積分等方法可以推演出它的演化方程(主方程)式中Ｈ是粒子的哈密頓量,γ=η/2ｍ是弛豫率(η是粘滯系數(shù)),Ｔ是場的溫度。上式右方第一項可由薛定諤方程導(dǎo)出,在經(jīng)典情況下對應(yīng)于觀察量平均值的演化;第二項是耗散項;末項是布朗運動式的隨機項,正是它摧毀了量子系統(tǒng)的相干性。由此可以估算出,退相干時間尺度同弛豫時間尺度的比率為是同做熱運動的粒子對應(yīng)的德布羅意波長,

是坐標變化的分布寬度。對于一般宏觀物體.例如:室溫T≈300K,ｍ≈1g,Δx≈1ｃｍ,有。即是說,即使一個宏觀系統(tǒng)的弛豫時間相當(dāng)于宇宙年齡,退相干時間也只有那么短,事實上不可能建立有效的相干性質(zhì).但在特殊情況下,例如低溫()下的韋伯型引力波天線,Δx≈cm,m=100kg,退相干過程會變得很緩慢(),必須當(dāng)成量子振子看待。對于一個電子,m≈g,在原子(Δx≈cm)尺度上下必須用量子力學(xué)描寫。從上面簡略的介紹已經(jīng)可以看出:首先,退相干效應(yīng)一般涉及到的,不是像能級躍遷那樣的狀態(tài)改變,而只是各個本征態(tài)之間干涉項的消失。其次,退相干效應(yīng)不是像弛豫、耗散一類的熱學(xué)效應(yīng).因為那些效應(yīng)是由上述方程右方第二項引起的,而退相干效應(yīng)則屬于最后一項,這一項對應(yīng)著布朗運動式的漲落,它導(dǎo)致的結(jié)果是不能夠用統(tǒng)計物理學(xué)的系綜平均方法算出來的。因此,退相干效應(yīng)的機制有別于過去慣用的能量-動量機制.例如,過去認為在粒子束實驗里,在一定條件下干涉條紋的消失是由于粒子的能量-動量受到了干擾?，F(xiàn)在已經(jīng)證實,一般說來,這是不能用能量-動量分析來說明的一種更微妙的效應(yīng)。

E.Joos指出[11],雖然像海森伯和朗道等幾位先驅(qū)早就做過這方面的初步探討,但長期以來退相干機制沒有受到重視,其中有兩個主要原因:一個是哥本哈根學(xué)派的消極影響,使人們誤以為遵循玻爾的教條就能夠在原則上解決量子力學(xué)的一切問題；另一個原因是從近代物理學(xué)誕生時起建立的許多模型,都在一定程度上以為宏觀系統(tǒng)是可以近似地看作同環(huán)境隔絕的。的確,過去從能量-動量的角度看,認為微觀系統(tǒng)是嬌氣的,經(jīng)不起外界的一點擾動?，F(xiàn)在,從退相干效應(yīng)的角度看,反過來認識到宏觀系統(tǒng)才是真正嬌氣的,它們在一瞬間就會喪失了量子相干的性質(zhì)。退相干方法的成果,去除了以往在量子力學(xué)的“測量理論”,以及“量子跳躍”,“主體和客體不可分”等問題上的神秘色彩?，F(xiàn)在我們知道,退相干效應(yīng)是在一段或長或短的時間里發(fā)生的過程,不存在什么不可分析和突然發(fā)生的量子跳躍,也不需要在薛定諤方程之外再加上波函數(shù)坍縮的假設(shè)。退相干效應(yīng)是自然發(fā)生的,根本不需要觀察者的主觀介入。我們在測量中看到的結(jié)果(例如微觀對象的粒子性,測量結(jié)果的經(jīng)典性質(zhì)),乃是由退相干過程產(chǎn)生出來的,沒有根據(jù)說在此之前就存在著那樣的性質(zhì)。二﹑多世界解釋1992年,J.Horgan在《科學(xué)美國人》上發(fā)表了一篇題為“量子革命”的文章,其中說道:“雖然多世界解釋長期以來被當(dāng)做更像是科學(xué)幻想而不是科學(xué)本身而受到了冷淡的對待,但新近Gell-Mann和他的合作者以一種改進了的形式而使這一解釋復(fù)活了。他們稱呼其理論為多歷史解釋,并且強調(diào)那些歷史只是‘潛在’的,而不是在物理上實現(xiàn)了的。據(jù)說Gell-Mann曾預(yù)言道,到20世紀末時,這種觀點將在這一領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)支配的地位。”實際上,蓋爾曼(M.Gell-Mann)早在1979年就說過:“[量子力學(xué)]的一種適當(dāng)?shù)恼軐W(xué)描述竟被推遲了這么久的這一事實,無疑是由于玻爾對整整一代物理學(xué)家洗了腦(brainwashed),使他們以為這一任務(wù)早在50年前已經(jīng)完成了的緣故?！憋@然,在蓋爾曼看來,從總體說來,玻爾對于量子力學(xué)的正確解釋,不是起到積極促進的而是起到消極阻礙的作用。蓋爾曼在1994年出版了一本題目為《夸克和美洲豹》的書,該書第11章“量子力學(xué)的當(dāng)代觀”,講的就是他所參與建立的量子力學(xué)新解釋。而這一章的最后一句話又是這樣寫的:“我們在努力建構(gòu)量子力學(xué)的詮釋的目的,是想終止玻爾所說的時代。玻爾曾經(jīng)說:‘如果一個人說他可以思考量子物理學(xué)而不會感到迷惑,這不過說明他一點也不懂量子物理學(xué)?！卑凑丈w爾曼在這一章里的敘述,量子力學(xué)的這種新解釋繼承了費恩曼(R.P.Feynman)創(chuàng)立的路徑積分方法里,運用空間-時間中的歷史來表述量子力學(xué)的做法;亦發(fā)揚了在H.EverettⅢ提出的多世界解釋里,物理世界有多種可能選擇的思想。在費恩曼的路徑積分方法里,作用量為S的系統(tǒng),從初態(tài)到末態(tài)的躍遷振幅,等于對從初態(tài)到末態(tài)的所有可能路徑的、以為相位的某種相位因子之和。一方面,這種求和或者積分是在整個空間-時間中進行的,所以無疑是一種空時描述。事實上,1948年,費恩曼為此正式發(fā)表的第一篇文章取名為“非相對論性量子力學(xué)的空間-時間方法”,就鮮明地表示了他的這種立場。另一方面,費恩曼亦證明了,從他的路徑積分可以推導(dǎo)出薛定諤方程,所以這也肯定是一種因果聯(lián)系。其實,從路徑積分可以直接算出躍遷振幅,不僅可以用來代替薛定諤方程的功效,而且在有些情況下(例如規(guī)范場論或者量子引力理論),表現(xiàn)出它的適用性比后者更加普遍?；仡櫜?927年在著名的《科莫演講》里第一次講到“互補”這個字眼時的原話是:“量子理論的本性使我們不得不把空時標示(space-timecoordination)和因果要求(claimofcausality)這兩種作為不同經(jīng)典理論表征的聯(lián)合,看作是描述的互補而又互斥的兩個特征,它們分別代表著觀察和定義的理想化?！庇纱丝梢?費恩曼創(chuàng)立的“路徑積分”,實際上已經(jīng)從根本上否定了玻爾關(guān)于對微觀對象不可能同時給出空時標示和因果描述的“互補原理”。要注意的是,一方面,路徑積分里的空時標示,當(dāng)然不是經(jīng)典力學(xué)里的空時標示。費恩曼講的路徑,也不是經(jīng)典力學(xué)里的質(zhì)點軌道。因為,經(jīng)典軌道是在空間-時間中劃出的一條確定不疑的軌跡,它本身就是理論計算的結(jié)果;而費恩曼的路徑則只是一些可能的途徑,計算中要對它們的全體進行求和(積分),將所有部分振幅疊加起來,所得到的總振幅才是真正的結(jié)果。另一方面,路徑積分里的因果描述,當(dāng)然也不是經(jīng)典力學(xué)里的因果描述。因為,后者對應(yīng)的是為坐標或者動量等具體物理量而設(shè)的牛頓運動方程,而前者對應(yīng)的則是與其完全不同的、為前所未聞的概率幅而設(shè)的薛定諤方程?？傊?費恩曼的路徑積分,實質(zhì)上是一種歷史性的描寫。不過,它描寫的不是系統(tǒng)經(jīng)歷的一種真實的歷史,而是各種可能歷史的振幅的疊加。1957年,EverettⅢ提出“相對態(tài)表述”,后來稱為“多世界(manyworld)解釋”。在這種解釋里,為了調(diào)和系統(tǒng)演化的連續(xù)性和測量過程的突然跳躍這兩個方面的矛盾,認為在某一測量結(jié)果實現(xiàn)的同時,也實現(xiàn)了其他所有可能的測量結(jié)果。因為,在這一瞬間,同原來狀態(tài)對應(yīng)的一個世界,分裂成多個同被測量變量的各個本征態(tài)相對應(yīng)的那么多世界,每一個世界對應(yīng)著一個可能的測量結(jié)果。在這里沒有波函數(shù)的坍縮,而只有世界的分裂。每一個世界都是同樣真實的。我們之所以看到某一個測量結(jié)果,是因為我們正好生活在同這一觀察結(jié)果相對應(yīng)的世界里。在其他的世界,對應(yīng)著其他的測量結(jié)果,只不過我們看不到就是了。多世界解釋免除了經(jīng)典物理學(xué)的觀察裝置和系統(tǒng)外部的觀察者的需要,以便于處理整個宇宙的量子狀態(tài)。但那種原則上不可觀察的許多個其余宇宙的存在,亦引起了激烈的爭論。后來,按照蓋爾曼的做法,把“多世界”改造成“多種宇宙可選擇的歷史”,“即一個給定的系統(tǒng)可以有不同的歷史,每一種宇宙歷史有它自己的概率;沒有必要使人們心神不安地去接受都具有相同真實性的多個‘平行的宇宙’?！边@樣就繼承了多世界解釋的合理內(nèi)容。量子力學(xué)新解釋的主要思想,是在20世紀80年代中期開始的幾年之內(nèi),分別由幾組作者從不同的角度提出來的。.其中最早是R.B.Griffiths在1984年提出的“一致性歷史解釋”。按照L.E.B-allentine的介紹,這種解釋“推廣了對一些個別的可能事件的概率公式,以產(chǎn)生出由在一些不同時刻發(fā)生的可能事件所組成的選定序列的條件概率。為了界定能夠指派一個概率的一種‘一致性歷史’,可能事件的序列必須滿足某些條件;這些條件在這一方程式里是清楚地確定了的,但卻難以從直覺上把握。態(tài)函數(shù)所起的作用,不如在其他一些解釋里那么突出,而且沒有‘坍縮’的物理過程。在概念上不必區(qū)分系統(tǒng)中被觀察的和進行觀察的不同部分?！绷硗鈨山M獨立的作者是R.Qmnès以及蓋爾曼和他的合作者J.Hartle?，F(xiàn)在已經(jīng)弄清楚,這幾位作者提出的解釋,盡管起初出發(fā)考慮的角度有差別,在基本精神上卻是相同的,這一點也得到了他們自己的認同。例如,Omnès在1995年是這樣說的:“目前在一些地方研究著量子力學(xué)的一種新近的解釋;它有幾種不同的名稱:一致性歷史解釋,退相干歷史解釋或者邏輯解釋,并且已經(jīng)使得量子力學(xué)的解釋成為一種標準的演繹性理論。這種新解釋同哥本哈根解釋不同的關(guān)鍵之處在于,如今經(jīng)典物理學(xué)的事態(tài)在動力學(xué)和邏輯學(xué)的兩個方面,都完全由量子原理推導(dǎo)出來……新的解釋在認識論方面的結(jié)論,與哥本哈根解釋的結(jié)論相距甚遠……”他還說:“如果將新的解釋同哥本哈根解釋做比較,那么兩者有多少特點就有多少不同之處”,“新的解釋是一種標準理論,它有一些確定的假設(shè),能夠由此出發(fā)推演出一些結(jié)果;這一過程是每個人都可以自行核對的。這種解釋不依賴于一位創(chuàng)始人的言談,不管他有多么偉大。因而,對量子力學(xué)的解釋就成為科學(xué)的一部分,而不再是一種學(xué)究式的議論?！薄靶碌慕忉屔形词艿匠浞值闹匾?看來其首要原因是,同哥本哈根解釋的空泛議論比較起來,它含有更多的數(shù)學(xué)表達式和技術(shù)性內(nèi)容?！卑凑語urek的觀點,蓋爾曼等人提出的新解釋,是在多世界解釋的基礎(chǔ)之上,加進了三種關(guān)鍵性的機制:一個量子系統(tǒng)有多組可選擇的粗粒歷史的概念;在選定的一組歷史內(nèi)的退相干效應(yīng);趨向經(jīng)典極限的近似決定性。粗粒歷史(cqarse-grainedhistory)的意思是，一個量子系統(tǒng)有許多自由度,它們的全部對應(yīng)著一種精粒歷史(fine-grainedhistory)。我們在前面講的退相干效應(yīng)里所涉及到的一個或者少數(shù)個觀察量,只占了系統(tǒng)的一小部分自由度。在退相干效應(yīng)的理論模型里,要對精粒歷史里面所有沒有涉及到的自由度求和。于是,我們所能見到的就只是一種粗粒歷史。所謂可選擇的歷史,就是多種不同歷史都有各自的實現(xiàn)概率的意思。按照蓋爾曼的說明,精粒歷史之間的干涉一般不會消失,因此得不到相應(yīng)的概率描寫。而通過退相干機制,可以使得粗粒歷史之間的干涉項消失?；蛘哒f,是隨機發(fā)生的漲落使歷史產(chǎn)生分岔。那么,一系列由于退相干效應(yīng)而先后選擇了的粗粒歷史,就構(gòu)成了系統(tǒng)的一組“退相干歷史”。原則上別樣的歷史也有一定的發(fā)生的概率,但我們觀察到的只是其中的一種。大家知道,量子力學(xué)的哥本哈根解釋的主要對立面,是主張量子力學(xué)的理論預(yù)言一般只是對多次重復(fù)的觀察結(jié)果而言的統(tǒng)計解釋或者叫做系綜解釋。蓋爾曼認為,從新的觀點看來,那種統(tǒng)計解釋并沒有錯,但是它依賴于一位外部的觀察者,所以其適用范圍受到了限制,他建議把那種解釋稱為“被測系統(tǒng)的量子力學(xué)近似”。新的解釋則能夠描述整個宇宙的量子態(tài),或者“多種宇宙可選擇的歷史”?？傊?按照這種新的解釋,普天之下只有一部物理學(xué),它就是統(tǒng)一地描述了宏觀世界和微觀世界的量子力學(xué)。量子力學(xué)的概念和定律是全部物理學(xué)的基礎(chǔ),由此可以導(dǎo)出經(jīng)典物理學(xué)的概念和定律。在這里完全不需要使用什么普朗克常數(shù)ｈ→0或者能級量子數(shù)ｎ→∞的“極限”近似,起到關(guān)鍵作用的就是退相干效應(yīng)。三﹑退相干與量子宇宙標準宇宙模型的基礎(chǔ)是廣義相論,依據(jù)廣義相對論得出的奇性定理卻推導(dǎo)出在宇宙極早期暴漲階段所有經(jīng)典理論全部失效,此時人們期望從量子宇宙學(xué)中找到答案。量子宇宙學(xué)試圖主要用系統(tǒng)(宇宙)的波函數(shù)來描述該系統(tǒng)(宇宙),人們可以通過求解惠勒-德維特方程(下面簡寫為W-D方程)來求出宇宙的波函數(shù)?！霸摲匠填愃朴谘Χㄖ@方程,宇宙空間大小類似于位置,而宇宙的膨脹速率則代表動量?！绷孔恿W(xué)能在任何時候都適用于整個宇宙以及適用于宇宙中的每一件東西,這是量子宇宙學(xué)的基本主張。參照霍金(StephenW.Hawking)及威爾特夏爾(D.L.Wiltshire)等主流觀點,以時間為主線,我們可以把量子宇宙學(xué)的發(fā)展過程分為三個主要階段:1.確定問題量子宇宙學(xué)的標準形式是在20世紀60年代末提出的,由DeWitt、Wheeler和Misner等人奠定的。依據(jù)W-D方程,定義了宇宙波函數(shù)(Ψ)、它的空間結(jié)構(gòu)(超空間)及其演化。在簡單模型(微超空間中,即只有有限個自由度的超空間)中,量子宇宙學(xué)的基本方程——W-D方程可以寫為:就是宇宙波函數(shù),它是定義在一維超空間0<ａ<

上的,ａ的每一個取值代表一種三維幾何。宇宙的波函數(shù)是該方程對于一些指定邊界條件的解,通過求解,我們可以對現(xiàn)在的宇宙狀態(tài)做出描述,并對將來發(fā)展方向做出預(yù)言,最重要的是找到了一種解釋現(xiàn)在及將來宇宙狀態(tài)的原因。2.邊界條件對量子宇宙學(xué)的探索在20世紀70年代期間有所停滯,進入80年代,理論學(xué)家對宇宙的波函數(shù)提出了合適的邊界條件,由于這一啟發(fā)性的處理,對量子宇宙學(xué)的研究又進入了一個新的階段。該思想就是邊界條件應(yīng)該描述為宇宙創(chuàng)生于虛無(“creationoftheuniversefromnothing”),這兒的“nothing”是指時間和空間都不存在。對于這種邊界條件的研究,引出了大量的解釋,其中兩個主要的處理方法是哈特爾(JamesB.Hartle)和霍金的無邊界(“noboundary”)提案(以下簡稱HH提案)以及由維倫金(Vilenkin)提出的隧道(“tunneling”)提案(簡稱V提案)。由于宇宙學(xué)量子論所描述的宇宙的波函數(shù)并不能排除對假定的初始條件的需要,而是經(jīng)典初始條件(暴漲和大爆炸模型的各假定)的問題變成了量子初始條件的問題:在許多可能的波函數(shù)中(即W-D方程的許多解),怎樣挑選一個正確的波函數(shù)來呢?同理論物理學(xué)家提出支配物理系統(tǒng)演化的定律大致一樣,量子宇宙學(xué)家不可推卸的任務(wù)就是指出有關(guān)宇宙的初始條件或邊界條件的定律。特別是哈特爾和霍金,林德,以及維倫金已經(jīng)制定出相當(dāng)明確的理論框架來求出W-D方程的一個特解(也就是找出宇宙的一個唯一的波函數(shù))。有兩個這樣的理論:(1)哈特爾霍金的歐氏路徑積分波函數(shù);(2)維倫金的“隧道”波函數(shù)。它們分別是HH提案(其中時間是純虛數(shù))和V提案的數(shù)學(xué)表達式。目前國際上,在理論框架下進行的研究工作較多。為了描述宇宙的量子態(tài),必須給定宇宙的邊界條件,HH提案和V提案賦予了量子宇宙學(xué)巨大的生命力,成為迄今最具代表性的兩種邊界條件提案。HH提案預(yù)言了自然地引起標準大爆炸宇宙模型的初始條件所決定的經(jīng)典宇宙,從而出現(xiàn)了均勻和各向同性的世界,而且包含在HH量子態(tài)中的量子起伏發(fā)展成為宏觀小尺度分布的不均勻,說明我們宇宙中已觀測到的星系分布的起源,并且提供了暴脹宇宙的量子起伏。同時它又對預(yù)言導(dǎo)致充分暴脹的初態(tài)有一定的困難,并且在研究路徑積分量子宇宙學(xué)時,也不能唯一地確定宇宙的波函數(shù)。

V提案的基本思想是宇宙從無量子貫穿產(chǎn)生出來。在空間均勻的各向同性宇宙模型中,V提案與描述我們的宇宙密切相關(guān),而且能給暴脹提供合理的初始條件。但在非各向同性模型中,V提案在確定函數(shù)的唯一性方面同樣面臨站挑戰(zhàn)。因此,這促使人們尋找某些必要施加的條件,以使V提案更具生命力。波函數(shù)和的結(jié)果差異很大。是選擇盡量近似于普通量子力學(xué)中的隧道解:初始能量密度大,“隧道”波函數(shù)亦大;對應(yīng)的初始能量密度小,“隧道”波函數(shù)亦小;這意味著宇宙有甚高的幾率起始于大的初始能量密度。是選擇歐氏路徑積分產(chǎn)生的解:這路徑積分所積路徑是無邊界的四維幾何(時空的各種幾何),這種“無邊界”波函數(shù)極度集中在任意小的初始能量密度。在這個意義上說與隧道效應(yīng)波函數(shù)正好相反。由于把量子物理運用于對宇宙(把宇宙作為一個整體來對待)的研究中,量子退相干變得特別重要。這個復(fù)雜的論題在20世紀90年代早期逐漸引發(fā)了一個較大的研究群體。事實上,量子退相干提出的問題即使在普通量子力學(xué)中還未被很好地解決,而在宇宙學(xué)中退相干問題真正地等價于,對在波函數(shù)坍縮期間所發(fā)生的事的理解,雖然這是個很迷人的問題,但直接與宇宙學(xué)相比更多地應(yīng)是在量子力學(xué)基礎(chǔ)上研究。因此,對這個問題的研究目前主要集中在量子力學(xué)中。量子力學(xué)中一個很困難的問題涉及到應(yīng)用于宇宙學(xué)的量子力學(xué)詮釋。玻爾在量子力學(xué)的創(chuàng)建過程中,建立了該理論的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換成人們在實驗測量期間實際觀測到的結(jié)果的基本原則。一次測量就是發(fā)生在他的微觀系統(tǒng)(如原子,它們完全受量子力學(xué)支配)和宏觀系統(tǒng)(如觀測者和測量儀器,它們受經(jīng)典力學(xué)的支配)之間的一次相互作用,這一過程中,描述微觀系統(tǒng)的波函數(shù)從它的始態(tài)到某一張態(tài)可受到不連續(xù)的變化———稱作波函數(shù)的坍縮。盡管許多理論家認為這一哥本哈根詮釋的概念在哲學(xué)上是不滿意的,但是它仍能從理論中得出與觀測結(jié)果相一致的預(yù)言。然而當(dāng)人們試圖將量子力學(xué)應(yīng)用于整個宇宙時,所遇到的困難是不可能作為哲學(xué)細節(jié)而被除去的。作為觀測者,在任一宇宙理論中只是宇宙的一部分,對于觀測者與被觀測對象之間沒有任何本質(zhì)的分別。而且我們在觀測中很不情愿接受整個宇宙坍縮的波函數(shù)。同時涉及到了幾率預(yù)測的問題,因為在宇宙學(xué)中,只有一個系統(tǒng),對這個系統(tǒng)的測定只有一次。四﹑量子計算中的退相干問題從基本物理學(xué)角度看，信息的載體必定是一些特定的物理系統(tǒng)，它的傳遞和處理通?？梢岳斫鉃槟撤N物理過程。物理系統(tǒng)的特性以及對它操作的方式?jīng)Q定了信息過程是經(jīng)典還是量子的。根據(jù)計算機發(fā)展的Moore定律，它的中心處理器的運行速度每18個月就會提高一倍，相應(yīng)地，芯片上晶體管集成的數(shù)目隨時間呈e指數(shù)增長。這意味著存儲單元會變得越來越?。ㄉ踔磷兂蓡蝹€原子），使得量子效應(yīng)越來越明顯地凸現(xiàn)出來。因此，在微觀世界中，基本量子特性-量子相干性會在信息的存儲、傳遞和處理過程中起著核心的作用。在經(jīng)典信息中，通常采用象電位高低這樣的經(jīng)典狀態(tài)0和1構(gòu)成存儲信息的經(jīng)典數(shù)據(jù)位-經(jīng)典比特（ClassicalBit）。而對量子信息而言，數(shù)據(jù)位狀態(tài)0和1就變成量子態(tài)和。根據(jù)量子力學(xué)的基本原理，對于和描述的量子信息存儲單元-量子位（或量子比特，Qubit.），相干疊加態(tài)（α和β

是滿足的復(fù)數(shù)）也是它的狀態(tài)。表面上看，這種狀態(tài)既0又1、非0非1的不確定性會影響計算的效果。但是，正是基于量子相干性，1994年，PeterShor提出了大數(shù)因子化的量子算法。這個工作表明，利用這種量子相干性，人們能在原理上對一個大數(shù)進行有效的素數(shù)分解，使得以大數(shù)因子化為基礎(chǔ)公開秘鑰保密體系（RAS）遭到了原理上的威脅，引起了學(xué)術(shù)界、工商界及至各國政府對量子信息研究的重視，掀起了目前量子信息研究的熱潮。二粒子量子態(tài)的相干疊-糾纏態(tài)是量子通訊的理物基礎(chǔ)。最近，由奧地利Insbruk大學(xué)等完成的量子遠程傳態(tài)（Teleprotation）實驗顯示了基于量子糾纏態(tài)傳遞更多信息的現(xiàn)實可能性。另外，利用量子態(tài)的基本特性，還可以建立更加安全的密碼體系?，F(xiàn)代密碼體系主要取決于密鑰傳遞的安全性，而用量子態(tài)來傳遞密鑰是相當(dāng)安全的。其原因在于任何竊聽相當(dāng)于對量子態(tài)進行準確測量和精確復(fù)制，前者會引起量子態(tài)的波包塌縮，有效地破壞原來的量子狀態(tài)，而后者是被量子相干性原理的直接推論一量子不可克?。ň_復(fù)制）原理所禁戒?？梢哉f，是量子相干性導(dǎo)致了量子信息的強大威力，使它具有經(jīng)典計算和通訊無法比擬和勝任的信息處理能力。例如，對一個500位的大數(shù)進行素因子分解，目前最好的經(jīng)典計算機也需幾億年才能完成。而通過量子計算機只須一年的時間。目前，對于一個有N個對象的數(shù)據(jù)庫，要找到其中具有一定特征的對象，通常需要試探相當(dāng)于N的次數(shù)才有較大的可能成功。但通過Grover量子搜索算法，只須相當(dāng)于√N的次數(shù)就能成功。對于大N而言，量子搜索的潛力是十分巨大的。目前量子信息的研究，向我們展示了極為誘人的發(fā)展前景，其物理核心在于量子相干性的產(chǎn)生（量子初態(tài)的制備）及其控制與操縱（如用射頻脈沖產(chǎn)生量子邏輯門操作）。量子信息成功的例子說明，原則上可以把量子力學(xué)的基本觀念直接應(yīng)用于信息科學(xué)。以量子的方式存貯和處理信息，會產(chǎn)生許多令人驚奇結(jié)果，其應(yīng)用前景是極為廣闊，這些發(fā)展甚至有可能導(dǎo)致信息科學(xué)的革命。事實上，在過去的幾十年里，物理學(xué)的發(fā)展在不斷地推動信息科學(xué)的進步。正是量子物理導(dǎo)致的激光、半導(dǎo)體和微電子技術(shù)，直接奠定了信息科學(xué)的物理基礎(chǔ)。然而，在這些發(fā)展中，量子物理影響主要發(fā)生在信息物理載體的革新上，而不是量子的概念直接起作用。目前的量子信息與以往的差別，是量子物理的基本觀念（如量子相干性，量子糾纏態(tài)和量子測量）直接引起信息科學(xué)思想的變革，是最富有革命性的發(fā)展。然而，雖然量子信息的研究已經(jīng)取得日新月異、令人嘆為觀止的進步，但最終要實現(xiàn)有一定實用價值的量子信息-量子計算、量子通訊和量子密碼，不僅在實用化中存在著相當(dāng)大困難，而且有的困難甚至是原理性的。在量子計算方面，這些困難會表現(xiàn)的更為明顯。值得提及的是，導(dǎo)致這些困難根本原因也與量子相干性有直接相關(guān)。（一）、對于微觀的量子態(tài)，環(huán)境的影響是不可忽略的。例如對于二能原子系統(tǒng)構(gòu)成量子比特，真空背景的電磁場是無處不在的。環(huán)境的作用包含兩個方面:一方面它會引起量子比特的能量損耗，產(chǎn)生所謂的量子耗散；另一方面，即使能夠保持能量守恒，由無規(guī)運動的