叠加与纠缠—国际量子科技年的来临

又值岁末，准备迎接新的一年。联合国在稍早宣布2025年为「国际量子科技年」，此外也是表彰海森堡（Werner Heisenberg）与薛丁格（Erwin Schrodinger），提出并奠定量子力学理论基础的100周年。

两位先驱者在100年前，分别以矩阵数学及波动力学，诠释电子在原子尺度内的行为，并得到实验的证实，开启了量子力学的大业。随后量子力学在物理、化学、生物，甚至工程应用领域，都获得重大的进展，并引领各学科踏入一个全新境界。

然而量子力学从一开始提出，就被很多科学家所质疑其理论的完整性，历经100年此争辩依旧方兴未艾。就以近来备受关注的量子运算，之所以具有如此庞大的运算能量，是基于量子叠加（superposition）以及量子纠缠（entanglement）2项基本的特性。而叠加与纠缠，从1920年代末期便开始争论不休，参与论战的包括爱因斯坦（Albert Einstein）、波耳（Niels Bohr ）等人，乃至于海森堡与薛丁格两位。

论战以薛丁格的猫开始。猫装在箱子内，在没打开盖子前，猫不是生也不是死，而是处在生跟死的叠加态—这完全违反我们的经验法则，但是在量子的世界是可行的。最近网络上有一则贴文，「在没打开主管办公室门之前，我是处在生跟死的叠加态」，似乎比薛丁格的猫更易懂。

薛丁格的波函数有一连串组合的解，然而当我们人为去量测时，依照波尔及其哥本哈根学派的解释，会造成波函数的塌陷，而得到其中的一个解，也就是量测得到一个物理量。至于还有其他的解，在下一瞬间的量测，会得到另一个物理量。所以会量测得到哪一个物理量，变成机率问题，因此在量测之前，电子是处在多个叠加态之中。

爱因斯坦对于此机率性的假说非常不以为然，也因此衍生出「上帝不会掷骰子」 的名言。

用人为的方法去量测量子或基本粒子的物理状态，一直是在科学界无法解决的问题，因为这些粒子的物理量都非常微小，人为的量测不免会干扰到粒子原先的状态，而造成波函数塌陷或不连续的产生，但是如果不去量测，又无从得知粒子的状态，这真是两难。

1957年另一位先驱者Hugh Everett，用数学的方式将观察者也纳入波函数的计算，而得到多重世界的结果，每一个世界代表着其中的一个叠加态。也就是我们所量到的状态，是在这个世界所发生的，另外还有其他的世界有着不同的叠加态，与我们平行存在。多个平行世界或宇宙，在我们现实世界是无法想像的，但在量子的世界是有可能发生。

记得在小时候看过一出电影，片名叫「联合缩小兵」（Fantastic Voyage）的科幻片。内容是描述冷战时期，美国军方为了抢救一位命在旦夕的苏联科学家，将一组人马及核动力潜艇，用尖端科技加以缩小，并用针头注射入科学家的血管，并航行到科学家的脑部，用雷射光清除其脑中的血块。过程中有很多有趣的事发生，包括科学家体内的抗体攻击缩小后的小组人员及潜艇。如果把观测者及量测设备，缩小到量子尺度，然后去量测基本粒子的物理量，如此才能得到真实的量子行为。

量子纠缠又是件令人匪夷所思的事。2个纠缠过的粒子，在分开很长一段距离之后，依旧维持着超越时空的关联性，而互通有无。爱因斯坦称之为「鬼魅般的作用力」，这完全颠覆我们以力学为中心的物理学，但后来实验证实这个纠缠的作用力是存在的。

要观察及理解量子的世界，唯有将观察者微缩到量子的尺度，才能得到确切的答案。在真实的世界里，虽然我们不完全掌握量子的奥秘，但基于其所表现出来的行为，仍足以借此开发出影响人类文明的工具，量子运算就是个鲜明的例子。这也许就是联合国将2025年订为国际量子科技年，背后的原因吧！