深度長文：神秘的量子世界，到底有多詭異？

拿起一顆球，用力扔向墻面，它會遵循固定的軌跡反彈回來，你只需伸出手，就能精準(zhǔn)地再次抓住它。這一幕日常場景，是我們對世界運行規(guī)律最直觀的認(rèn)知：物體的運動有跡可循，不會憑空消失，也不會毫無征兆地變成另一種東西。這種完全可預(yù)測、符合直覺的行為背后，是經(jīng)典物理學(xué)構(gòu)建的堅實框架在發(fā)揮作用。

從伽利略的自由落體實驗到牛頓的萬有引力定律，再到麥克斯韋的電磁理論，經(jīng)典物理學(xué)用一套簡潔而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)則，解釋了從蘋果落地到行星公轉(zhuǎn)的所有宏觀現(xiàn)象。在1900年量子力學(xué)誕生之前，它就是物理學(xué)的全部。當(dāng)時的物理學(xué)家普遍相信，無論是微小的塵埃粒子，還是浩瀚宇宙中的恒星行星，控制球反彈的那套經(jīng)典規(guī)則都能無差別地描述宇宙中的一切事物——世界就像一臺精密的鐘表，每一個零件的運轉(zhuǎn)都遵循既定的規(guī)律，只要掌握了初始條件，就能精準(zhǔn)預(yù)測其未來的所有狀態(tài)。

然而，當(dāng)科學(xué)的視角深入到微觀世界，這臺“精密鐘表”的表象被徹底打破。

1900年，普朗克為解決黑體輻射問題提出能量量子化假說，標(biāo)志著量子力學(xué)的正式誕生。在隨后的一個多世紀(jì)里，尤其是過去四十年，隨著觀測技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們所認(rèn)知的世界逐漸變得陌生而詭異。在微觀尺度下，物體可以同時出現(xiàn)在兩個地方，粒子能像波一樣擴(kuò)散傳播，甚至兩個相距遙遠(yuǎn)的粒子之間能產(chǎn)生瞬間的相互影響。量子世界的這些怪誕特性，早已超越了經(jīng)典物理學(xué)的認(rèn)知邊界，成為科學(xué)界乃至大眾津津樂道的傳奇。但直到今天，這些怪誕現(xiàn)象的起源仍然是一個懸而未決的謎題。一代又一代的理論物理學(xué)家前赴后繼，試圖破解一個核心問題：究竟是什么賦予了量子世界這種明顯違背直覺的“量子屬性”？

答案至今仍隱藏在迷霧之中，但這種認(rèn)知上的空白，卻深刻影響著我們對現(xiàn)實本質(zhì)的理解，也制約著我們將量子現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為實用技術(shù)的能力。一個世紀(jì)以來，物理學(xué)家們提出了無數(shù)種假說，從哥本哈根詮釋到多世界理論，從隱變量理論到退相干理論，每一種假說都試圖勾勒出量子世界的真實面貌，卻又都存在無法彌補(bǔ)的缺陷。

不過，隨著實驗技術(shù)的突破和理論研究的深入，我們似乎正在一步步接近這個終極答案。在眾多探索方向中，量子計算的發(fā)展成為了照亮迷霧的一束光——這種被認(rèn)為將顛覆傳統(tǒng)計算模式的新技術(shù)，其核心優(yōu)勢恰恰源于量子世界的怪誕特性。如果我們能通過量子計算的研究，揭開量子屬性的本質(zhì)，那么一場不僅限于計算領(lǐng)域的科技革命，將為期不遠(yuǎn)。

追溯量子力學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)，一切都繞不開阿爾伯特·愛因斯坦。

20世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)看似已經(jīng)完美解釋了所有已知現(xiàn)象，但在微觀領(lǐng)域和高速領(lǐng)域，卻出現(xiàn)了一系列無法解決的“烏云”。正是在這樣的背景下，以愛因斯坦為代表的一批年輕物理學(xué)家，掀起了一場物理學(xué)革命。

1905年，被后人稱為“愛因斯坦奇跡年”，這一年他發(fā)表了三篇改變物理學(xué)走向的論文，其中一篇關(guān)于光電效應(yīng)的研究，首次提出了“光量子”假說。當(dāng)時，物理學(xué)界早已普遍接受光的波動學(xué)說，麥克斯韋的電磁理論也已證明光是一種電磁波。但愛因斯坦的研究指出，光的傳播和吸收并非連續(xù)的波動，而是以離散的“粒子”形式進(jìn)行的——這種粒子被后來的物理學(xué)家命名為“光子”。光電效應(yīng)的實驗現(xiàn)象也充分證明了這一點：當(dāng)頻率足夠高的光照射到金屬表面時，會瞬間打出金屬中的電子，而光的強(qiáng)度僅影響打出電子的數(shù)量，不影響電子的能量，這與波動學(xué)說的預(yù)測完全不符，卻能被光量子假說完美解釋。

愛因斯坦的這一發(fā)現(xiàn)，打破了“光要么是波要么是粒子”的經(jīng)典認(rèn)知，首次提出了光的“波粒二象性”。而更讓物理學(xué)界困惑的是，隨后的實驗發(fā)現(xiàn)，這種二象性并非光的專屬特性。當(dāng)物理學(xué)家用電子束進(jìn)行雙縫干涉實驗時，詭異的現(xiàn)象出現(xiàn)了：如果不觀測電子的運動軌跡，電子束會像波一樣產(chǎn)生干涉條紋；而如果試圖觀測電子通過哪條縫，干涉條紋就會瞬間消失，電子則表現(xiàn)出粒子的特性。這一實驗表明，電子這種典型的“粒子”，也同樣具有波動屬性。光和物質(zhì)的波粒二象性，徹底顛覆了經(jīng)典物理學(xué)對“粒子”和“波”的嚴(yán)格劃分，迫使物理學(xué)家重新思考光和物質(zhì)的本質(zhì)結(jié)構(gòu)。

為了描述微觀粒子的這種詭異行為，物理學(xué)家們引入了“波函數(shù)”的概念。薛定諤在1926年提出的薛定諤方程，成為了描述波函數(shù)演化的核心方程。

根據(jù)量子力學(xué)的哥本哈根詮釋，微觀粒子的運動狀態(tài)無法用經(jīng)典力學(xué)中的“位置”和“速度”來精準(zhǔn)描述，只能用波函數(shù)來表示——波函數(shù)的平方，代表了粒子在某一位置出現(xiàn)的概率。在沒有被觀測之前，粒子的波函數(shù)處于“疊加態(tài)”，也就是說，粒子同時存在于所有可能的位置，所有這些可能性都同時真實存在。只有當(dāng)我們對粒子進(jìn)行觀測時，波函數(shù)才會瞬間“坍縮”，粒子才會確定地出現(xiàn)在某一個位置。這種用概率和波函數(shù)代替確定結(jié)果的描述方式，催生了一系列令人震驚的量子效應(yīng)，其中最典型的就是“量子隧穿”。

在經(jīng)典物理學(xué)中，一個粒子如果沒有足夠的能量，就無法越過一道高于其能量的勢壘，就像一個人無法憑空跳過一堵足夠高的墻。但在量子世界中，粒子的波函數(shù)會延伸到勢壘的另一側(cè)，這意味著粒子有一定的概率“穿越”勢壘，出現(xiàn)在勢壘的另一邊——這種看似違背能量守恒的“隧穿”現(xiàn)象，并非理論推測，而是已經(jīng)被實驗證實的事實，現(xiàn)代半導(dǎo)體器件中的隧道二極管，就是利用量子隧穿效應(yīng)工作的。

量子世界的這種概率性描述，讓許多物理學(xué)家感到難以接受，其中最主要的反對者，正是愛因斯坦。盡管他本人提出了光量子假說，為量子力學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，但他始終無法認(rèn)同哥本哈根詮釋中“概率主導(dǎo)宇宙”的觀點。愛因斯坦堅信，宇宙的運行規(guī)律是確定的，量子力學(xué)的概率性描述，只是因為我們尚未發(fā)現(xiàn)某些“隱變量”——只要找到這些隱變量，就能像經(jīng)典物理學(xué)一樣，精準(zhǔn)預(yù)測微觀粒子的運動狀態(tài)。他曾多次與玻爾等哥本哈根詮釋的支持者展開辯論，其中最著名的一次，就是他提出的“EPR悖論”。

1935年，愛因斯坦與普林斯頓大學(xué)的兩位同事鮑里斯·波德斯基、內(nèi)森·羅森合作，發(fā)表了一篇題為《能認(rèn)為量子力學(xué)對物理實在的描述是完備的嗎？》的論文，提出了著名的EPR悖論（以三位作者的名字命名）。這篇論文通過一個思想實驗，揭示了量子力學(xué)概率性描述背后的矛盾。愛因斯坦等人指出，在適當(dāng)?shù)臈l件下，兩個微觀粒子經(jīng)過相互作用后，它們的波函數(shù)會緊密地“綁定”在一起，形成一種特殊的狀態(tài)——這種狀態(tài)被薛定諤隨后命名為“量子糾纏”。處于糾纏狀態(tài)的兩個粒子，無論相距多遠(yuǎn)，只要對其中一個粒子進(jìn)行觀測，確定了它的狀態(tài)，另一個粒子的狀態(tài)就會瞬間被確定，哪怕它們之間相隔光年之遠(yuǎn)。

在經(jīng)典物理學(xué)的框架中，這一現(xiàn)象是完全不可理喻的。經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，任何信號的傳播速度都不能超過光速，這是相對論確立的基本準(zhǔn)則。這意味著，兩個相距一光年的物體，要產(chǎn)生相互影響，至少需要一年的時間——信號需要用一年的時間才能從一個物體傳到另一個物體。

但根據(jù)EPR悖論的描述，糾纏粒子之間的相互影響是瞬間發(fā)生的，完全突破了光速的限制。愛因斯坦將這種看似違背相對論的現(xiàn)象，斥之為“鬼魅般的超距作用”，并以此證明量子力學(xué)的描述是不完備的，必然存在尚未被發(fā)現(xiàn)的隱變量。

與愛因斯坦的擔(dān)憂不同，另一位量子力學(xué)的先驅(qū)埃爾溫·薛定諤，卻從量子糾纏中看到了量子世界與經(jīng)典世界的本質(zhì)區(qū)別。他在1935年給愛因斯坦的信中寫道，量子糾纏是量子力學(xué)的“特征性質(zhì)”，正是這種特性，將量子世界與經(jīng)典世界明確區(qū)分開來。在薛定諤看來，量子糾纏的詭異之處，恰恰是破解量子屬性本質(zhì)的關(guān)鍵——如果能搞清楚糾纏的起源，或許就能明白為什么量子世界與經(jīng)典世界如此不同。但在隨后的幾十年里，物理學(xué)家們對糾纏的理解始終停留在理論層面，由于實驗技術(shù)的限制，無法通過實驗驗證EPR悖論的正確性，也就無法判斷愛因斯坦的隱變量理論與哥本哈根詮釋孰是孰非。

愛因斯坦等隱變量理論的支持者認(rèn)為，糾纏粒子的狀態(tài)其實在它們相互作用分離的那一刻就已經(jīng)確定了，就像一副手套被分別裝在兩個盒子里，然后送到宇宙的兩端。當(dāng)你打開其中一個盒子，發(fā)現(xiàn)里面是右手套時，你會瞬間知道另一個盒子里是左手套——這并不是因為兩個手套之間存在“超距作用”，而是因為手套的“左右手屬性”在分離時就已經(jīng)確定了，觀測只是揭示了這個早已存在的事實。這種理論既解釋了糾纏現(xiàn)象，又保持了經(jīng)典物理學(xué)的“局域性”（即物體的相互影響不能超過光速），因此得到了不少物理學(xué)家的支持。

這一僵局直到1964年才被打破。當(dāng)時，北愛爾蘭物理學(xué)家約翰·斯圖爾特·貝爾發(fā)表了一篇具有里程碑意義的論文，提出了著名的“貝爾不等式”。貝爾指出，通過設(shè)計特定的實驗，可以區(qū)分真正的量子糾纏和隱變量理論所描述的“經(jīng)典糾纏”。如果實驗結(jié)果滿足貝爾不等式，就說明隱變量理論是正確的，量子力學(xué)的描述是不完備的；如果實驗結(jié)果違背貝爾不等式，就說明隱變量理論不成立，量子力學(xué)的非局域性是真實存在的。貝爾的這一理論，將原本停留在哲學(xué)層面的爭論，轉(zhuǎn)化為了可以通過實驗驗證的科學(xué)問題。

從1972年開始，物理學(xué)家們陸續(xù)開展了一系列驗證貝爾不等式的實驗。最早的實驗由美國物理學(xué)家克勞瑟等人完成，他們利用光子對的糾纏進(jìn)行實驗，結(jié)果首次證明了貝爾不等式被違背。但由于當(dāng)時的實驗設(shè)備存在缺陷，實驗結(jié)果存在一定的“漏洞”——比如實驗中光子的探測效率不高，可能導(dǎo)致統(tǒng)計結(jié)果出現(xiàn)偏差；或者兩個觀測裝置之間的距離太近，存在信號傳遞的可能。為了消除這些漏洞，物理學(xué)家們不斷改進(jìn)實驗方案。

2015年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的團(tuán)隊完成了一項“無漏洞”的貝爾實驗：他們將兩個糾纏光子分別發(fā)送到相距1.3公里的兩個觀測站，實驗結(jié)果明確違背了貝爾不等式，且消除了之前所有的實驗漏洞。這一實驗最終證明，量子糾纏是一種真實存在的量子現(xiàn)象，隱變量理論是錯誤的，量子世界確實具有“非局域性”——兩個糾纏粒子之間的相互影響，確實可以超越空間的限制，瞬間發(fā)生。

“這些實驗決定了任何拯救經(jīng)典實在論的希望的命運。”倫敦大學(xué)戈德史密斯大學(xué)從事量子信息理論研究的馬蒂·霍本評價道。量子非局域性的證實，讓我們對量子世界的認(rèn)知又深入了一步，但這并沒有徹底揭開量子屬性的本質(zhì)。物理學(xué)家們很快發(fā)現(xiàn)，非局域性并不能解釋所有的量子怪誕現(xiàn)象。首先，非局域性只存在于兩個或多個粒子的糾纏系統(tǒng)中，對于單個粒子的量子效應(yīng)——比如量子隧穿、單粒子的疊加態(tài)等，非局域性完全無法解釋。其次，除了非局域性，量子世界還存在其他違背經(jīng)典物理學(xué)的特性。這意味著，非局域性只是量子屬性的一個方面，而非全部。要找到量子世界的核心密碼，我們還需要繼續(xù)探索。

這個問題的答案，再次將我們的目光拉回愛因斯坦和EPR悖論。EPR論文及其支持者在提出隱變量理論的同時，還隱含了一個重要的假設(shè)：量子實驗遵循與經(jīng)典實驗相似的規(guī)則——任何物體都具有固定的、獨立于觀測的內(nèi)在性質(zhì)，觀測的作用只是揭示這些性質(zhì)，而不會改變它們。就像左手套無論是否被觀測，它的“左手屬性”都是固定不變的，觀測環(huán)境的變化不會影響它的本質(zhì)。這種假設(shè)在經(jīng)典世界中是完全成立的，但在量子世界中，它是否仍然成立？

貝爾不等式的實驗驗證，不僅否定了隱變量理論，也間接挑戰(zhàn)了這一假設(shè)。

實驗結(jié)果表明，對于糾纏粒子對來說，對其中一個粒子的觀測結(jié)果，不僅取決于觀測的方式，還與對另一個粒子的觀測方式密切相關(guān)。換句話說，單個粒子的“屬性”并不是固定不變的，而是取決于整個實驗的“情境”——包括對其他粒子的觀測行為。這種“屬性依賴于情境”的特性，被物理學(xué)家們稱為“情境性”。

為了更直觀地理解情境性，我們可以舉一個經(jīng)典的例子：假設(shè)我們要測量一個物體的重量，在經(jīng)典世界中，無論我們是用彈簧秤測量，還是用電子秤測量，無論測量時周圍的溫度是高是低，這個物體的重量都是固定不變的——它的“重量屬性”是獨立于測量情境的。但在量子世界中，情況完全不同：一個量子粒子的“屬性”，比如自旋方向，會隨著測量情境的變化而變化。如果我們改變測量儀器的設(shè)置，或者改變對其他糾纏粒子的測量方式，得到的結(jié)果可能會完全不同。這意味著，量子粒子就像一個“不可靠的證人”，它給出的答案不僅取決于你問的問題（觀測方式），還取決于你問它的情境（整個實驗系統(tǒng)的狀態(tài)）。

在加拿大周邊理論物理研究所的安娜·貝倫·塞恩斯看來，情境性才是更根本的量子現(xiàn)象，而非局域性僅僅是情境性在多粒子系統(tǒng)中的一種表現(xiàn)形式。如果這一觀點成立，那么情境性就可能是我們一直在尋找的“量子核心密碼”。但要證實這一點，我們需要像貝爾為非局域性設(shè)計實驗驗證方案一樣，為情境性設(shè)計一套可驗證的實驗準(zhǔn)則。具體來說，我們需要在兩個不同的情境下，對同一個量子系統(tǒng)進(jìn)行相同的測量，然后比較測量結(jié)果——如果結(jié)果存在差異，就說明量子系統(tǒng)具有情境性；如果結(jié)果完全相同，就說明情境性不存在。

然而，設(shè)計這樣的實驗并不容易。最大的挑戰(zhàn)在于“實驗噪聲”——即使是最精密的實驗設(shè)備，也會存在微小的缺陷，這些缺陷會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)隨機(jī)誤差。我們?nèi)绾螀^(qū)分測量結(jié)果的差異，是源于量子系統(tǒng)本身的情境性，還是源于實驗設(shè)備的噪聲？這一問題困擾了物理學(xué)家們多年。直到2016年，兩個來自不同國家的研究團(tuán)隊——一個是奧地利因斯布魯克大學(xué)的團(tuán)隊，另一個是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的團(tuán)隊，分別獨立設(shè)計出了能夠有效排除實驗噪聲的情境性驗證實驗。

這兩個團(tuán)隊采用的實驗方案，都利用了量子比特系統(tǒng)（最簡單的量子系統(tǒng)），通過巧妙的實驗設(shè)計，將實驗噪聲的影響控制在可量化的范圍內(nèi)。實驗結(jié)果表明，在排除了所有可觀測的實驗噪聲后，兩個不同情境下的測量結(jié)果仍然存在顯著差異——這一結(jié)果明確證明，量子世界中的物體確實具有情境性。“這些實驗是量子物理學(xué)史上的一個里程碑。”塞恩斯評價道。它們不僅證實了情境性的存在，也為我們理解量子屬性的本質(zhì)提供了新的方向。

盡管情境性在量子世界中扮演著如此核心的角色，但在量子力學(xué)誕生后的近一個世紀(jì)里，它卻一直沒有得到應(yīng)有的重視。這其中的原因是多方面的。首先，愛因斯坦等量子力學(xué)的先驅(qū)者，始終將目光聚焦于非局域性帶來的“超距作用”問題，而忽略了情境性的重要性——缺乏權(quán)威科學(xué)家的關(guān)注，使得情境性的研究長期處于邊緣狀態(tài)。其次，正如霍本所說：“這在很大程度上可以歸結(jié)為令人震驚的價值。”與非局域性直接挑戰(zhàn)“空間、時間、因果關(guān)系”等經(jīng)典物理學(xué)的核心概念不同，情境性帶來的沖擊相對間接，因此在很長一段時間里，并沒有引起物理學(xué)家們的足夠重視。但隨著量子計算研究的深入，情境性的重要性逐漸凸顯，它的“邊緣地位”也即將被徹底改變。

2019年，曾被不少業(yè)內(nèi)人士預(yù)測為“大規(guī)模量子計算機(jī)元年”——當(dāng)時，谷歌、IBM、英特爾等科技巨頭和眾多初創(chuàng)企業(yè)，都在量子計算領(lǐng)域投入了巨額資金，展開了激烈的競爭。根據(jù)這些企業(yè)的預(yù)測，大規(guī)模量子計算機(jī)將利用量子力學(xué)的特性，完成許多傳統(tǒng)超級計算機(jī)無法完成的任務(wù)：從模擬復(fù)雜的量子化學(xué)反應(yīng)，助力新藥物和新材料的研發(fā)，到優(yōu)化全球物流網(wǎng)絡(luò)和交通系統(tǒng)，再到破解現(xiàn)有的加密體系。但量子計算機(jī)的核心優(yōu)勢究竟來自哪里？這個問題，與“量子屬性的本質(zhì)是什么”緊密相連，也成為了量子計算領(lǐng)域的核心謎題。

要理解量子計算的優(yōu)勢，我們首先需要明確傳統(tǒng)經(jīng)典計算機(jī)的工作原理。從本質(zhì)上來說，計算機(jī)是一種操縱信息的設(shè)備——無論是計算、存儲還是通信，核心都是對信息的處理。在經(jīng)典計算機(jī)中，信息的基本單位是“比特”，每一個比特只有兩種可能的狀態(tài)：0或1，分別對應(yīng)晶體管的“關(guān)斷”和“通電”狀態(tài)。經(jīng)典計算機(jī)通過將大量比特組合在一起，按照預(yù)設(shè)的邏輯規(guī)則進(jìn)行運算，就能完成各種復(fù)雜的任務(wù)——從簡單的加減乘除，到模擬宇宙的演化。例如，一臺經(jīng)典超級計算機(jī)要破解一個128位的加密密鑰，需要逐一嘗試所有可能的組合，其運算量會隨著密鑰長度的增加呈指數(shù)級增長，這在實際操作中是幾乎不可能完成的。

量子計算機(jī)的信息基本單位是“量子比特”，它的核心優(yōu)勢就源于量子比特的量子特性。與經(jīng)典比特只能處于0或1的確定狀態(tài)不同，量子比特的波函數(shù)可以處于0和1的“疊加態(tài)”——也就是說，一個量子比特可以同時表示0和1兩種狀態(tài)。基于這一特性，不少人對量子計算的優(yōu)勢做出了簡單化的解讀：經(jīng)典計算機(jī)一次只能處理一種狀態(tài)的信息，而量子計算機(jī)通過疊加態(tài)，可以同時處理所有可能的狀態(tài)信息。例如，一個2個量子比特的系統(tǒng)，可以同時表示4種狀態(tài)；一個10個量子比特的系統(tǒng)，可以同時表示1024種狀態(tài)；隨著量子比特數(shù)量的增加，量子計算機(jī)能夠同時處理的狀態(tài)數(shù)量會呈指數(shù)級增長。因此，量子計算機(jī)可以“并行處理”所有可能的解決方案，從而在處理某些問題時，展現(xiàn)出遠(yuǎn)超經(jīng)典計算機(jī)的速度優(yōu)勢。

“如果事情這么簡單，量子算法的設(shè)計也會很容易。”美國約翰·霍普金斯大學(xué)的量子物理學(xué)家丹尼爾·霍華德直言，這種簡單化的解讀是完全錯誤的。事實上，量子計算機(jī)的疊加態(tài)并不能直接轉(zhuǎn)化為“并行處理優(yōu)勢”——因為當(dāng)我們對量子比特的狀態(tài)進(jìn)行觀測時，波函數(shù)會瞬間坍縮，我們只能得到一個確定的結(jié)果，而不是所有疊加態(tài)的信息。要利用量子疊加態(tài)的優(yōu)勢，需要設(shè)計復(fù)雜的量子算法，通過量子糾纏、量子干涉等多種量子效應(yīng)的協(xié)同作用，將有用的信息“篩選”出來。這也是為什么量子算法的研發(fā)如此困難的原因。

“事實是，盡管量子計算具有革命性的潛力，但它的力量之源仍然籠罩在神秘之中。”霍華德補(bǔ)充道，“即使對專家來說，理解量子計算機(jī)‘實際在做什么’也是一個難題。”在量子計算領(lǐng)域，存在一個奇怪的現(xiàn)象：有些量子算法的優(yōu)勢可以被明確驗證，但有些所謂的“量子算法”，其核心功能卻可以被經(jīng)典計算機(jī)模擬。這意味著，僅僅利用疊加態(tài)、糾纏等量子現(xiàn)象，并不足以保證量子計算機(jī)的優(yōu)勢——只有當(dāng)量子系統(tǒng)具備某些特定的核心特性時，才能真正實現(xiàn)對經(jīng)典計算機(jī)的超越。“令人擔(dān)憂的是，我們還沒有一種強(qiáng)有力的方法來確定一個量子系統(tǒng)必須具備哪些必要條件和充分條件，才能看到相對于經(jīng)典計算的優(yōu)勢。”悉尼大學(xué)的量子物理學(xué)家安吉拉·卡蘭杰說道。

就在量子計算的核心優(yōu)勢陷入爭議之際，情境性的研究為我們提供了新的思路。2014年，霍華德和他的合作者在《自然·通訊》上發(fā)表了一篇里程碑式的論文，首次提出了“情境性是量子計算核心引擎”的假說。為了驗證這一假說，他們選擇了一類被稱為“穩(wěn)定器電路”的簡單量子系統(tǒng)作為研究對象。

穩(wěn)定器電路是量子計算中最基礎(chǔ)的電路模型之一，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易于分析，但缺點也很明顯——雖然它本質(zhì)上是量子系統(tǒng)，但它的運算過程可以被經(jīng)典計算機(jī)高效模擬。換句話說，穩(wěn)定器電路不具備“通用量子計算”的能力，無法實現(xiàn)所有可能的量子算法，也無法展現(xiàn)出超越經(jīng)典計算機(jī)的優(yōu)勢。而霍華德的團(tuán)隊通過理論分析發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定器電路之所以能被經(jīng)典計算機(jī)模擬，核心原因是它不具備情境性——它的量子比特狀態(tài)雖然具有疊加態(tài)和糾纏特性，但這些狀態(tài)并不依賴于觀測情境，因此可以用經(jīng)典的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。

在此基礎(chǔ)上，霍華德和他的同事進(jìn)一步證明，如果對穩(wěn)定器電路進(jìn)行改進(jìn)，賦予它產(chǎn)生情境性的能力——比如增加量子比特之間的非線性相互作用，或者引入更復(fù)雜的觀測情境，那么穩(wěn)定器電路就會從“可經(jīng)典模擬”轉(zhuǎn)變?yōu)椤安豢山?jīng)典模擬”，從而具備通用量子計算的能力。“這一結(jié)果開辟了新的領(lǐng)域，并發(fā)現(xiàn)了量子計算機(jī)能力的一部分基礎(chǔ)。”霍本評價道。這一研究成果，將情境性與量子計算的核心優(yōu)勢直接關(guān)聯(lián)起來，也為我們理解量子屬性的本質(zhì)提供了新的視角。

那么，情境性是否就是量子計算加速的“秘密引擎”？對于這個問題，霍華德保持著謹(jǐn)慎的態(tài)度。他認(rèn)為，目前量子計算的模型有很多種，不同模型的核心優(yōu)勢可能存在差異，因此不能簡單地將情境性定義為所有量子計算優(yōu)勢的來源。但不可否認(rèn)的是，至少在部分量子計算模型中，情境性是實現(xiàn)量子優(yōu)勢的必要條件。卡蘭杰和她的合作者最近的研究，進(jìn)一步證實了這一點。他們通過理論計算發(fā)現(xiàn)，量子電路所展現(xiàn)出的情境性的數(shù)量，與經(jīng)典計算機(jī)模擬該電路所需的內(nèi)存空間呈正相關(guān)——情境性越強(qiáng)，經(jīng)典計算機(jī)模擬所需的內(nèi)存就越大；當(dāng)情境性達(dá)到一定閾值時，經(jīng)典計算機(jī)將無法提供足夠的內(nèi)存進(jìn)行模擬，而量子計算機(jī)則可以輕松處理。“這些結(jié)果告訴人們，建造量子計算機(jī)要使用顯示情境性的系統(tǒng)來構(gòu)建它，因為這些系統(tǒng)可以提供更多的計算能力。”卡蘭杰說道。

情境性的重要性，遠(yuǎn)不止于量子計算領(lǐng)域。更重要的是，它為我們劃分量子世界與經(jīng)典世界的界限，提供了一個明確的標(biāo)準(zhǔn)。自量子力學(xué)誕生以來，“量子世界和經(jīng)典世界的邊界在哪里”就一直是物理學(xué)家們爭論不休的問題。薛定諤曾認(rèn)為，糾纏是區(qū)分量子世界和經(jīng)典世界的關(guān)鍵——這種顛覆經(jīng)典直覺的現(xiàn)象，足以說明它屬于量子世界的范疇。但這種劃分標(biāo)準(zhǔn)并不嚴(yán)謹(jǐn)，因為糾纏只是量子現(xiàn)象的一種，無法涵蓋所有的量子特性。而霍華德、卡蘭杰等人的研究表明，情境性可能是一個更嚴(yán)格、更普適的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

按照這一標(biāo)準(zhǔn)，量子物理學(xué)的核心并非由一系列零散的、違背經(jīng)典直覺的現(xiàn)象（如疊加態(tài)、糾纏、隧穿等）組成，而是一種基于“情境性”的計算理論——量子世界的所有特性，其本質(zhì)都是情境性的不同表現(xiàn)形式；而量子計算的優(yōu)勢，也正是源于情境性帶來的信息處理能力的提升。這一觀點徹底改變了我們對量子力學(xué)的認(rèn)知：量子力學(xué)不再是一套“怪誕的理論”，而是一套更普適的信息處理理論，經(jīng)典物理學(xué)只是量子物理學(xué)在“情境性可忽略”的宏觀世界中的近似。

如果這一觀點成立，那么當(dāng)前全球范圍內(nèi)的大規(guī)模量子計算機(jī)競賽，其意義將遠(yuǎn)超技術(shù)層面的突破。它不僅是為了研發(fā)一種更強(qiáng)大的計算設(shè)備，更是為了通過實驗驗證“情境性是量子屬性的本質(zhì)”這一核心假說。一旦我們通過量子計算的研究，徹底證實情境性的核心地位，那么我們將最終揭開量子世界的神秘面紗，完成量子力學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)的統(tǒng)一，為后續(xù)的量子科技發(fā)展奠定堅實的理論基礎(chǔ)。