量子相干性：原理、应用与最新研究进展

单丁鹤纷

量子力学-相干性



现代物理学两大基石是相对论和量子力学。

量子力学解释微观世界。

相对论解释宏观世界。

宏观世界也有量子效应，量子力学在宏观世界同样适用。
特定条件下，宏观物体也存在量子叠加态。

适用的定义：用同一个框架模型，能精准描述不同场景。

不具有适用性的理论：万物由金、木、水、火、土五种基本元素构成，头由木元素构成，水由水元素构成。
该理论给出一系列看似非常合理的解释，描述各种宏观现象。

随着科学的发展，科学家找不到木元素和水元素。
微观层面物质是由质子、中子、电子构成，该理论适用范围有限。

量子力学解释微观世界的方法，也能解释宏观世界。
量子力学推导出微观粒子有的特性，宏观物体也有。

宇宙中的中子星，就是处于量子叠加态的宏观物体。
中子星是大质量恒星坍缩后的残骸，构成它的绝大部分物质是紧密排列的中子。

中子星的核心，存在典型量子现象：超流。

超导体是完全没有电阻的物体，存在量子现象。

超流体是完全没有粘性的流体。
搅动水，水很快会停下来。
超流体会不停在杯子里打转，甚至会沿着杯壁，从杯子里跑出来。
超流体不是经典物理现象，是一种量子现象。

根据量子色动力学和中子间强相互作用理论。
低温高密度环境下，中子间形成一种凝聚态，可以无摩擦流动，形成超流体。

超流体能形成量子漩涡，量子漩涡流速分布是量子化，非连续的。
中子星的核心，处于宏观量子状态。
中子星旋转速率变化和突然跃变，与内部超流体有关。

霍尔效应是一种磁电效应，存在量子现象。

国际单位制定义1Kg的基布尔秤，存在宏观量子状态。

宏观量子效应通常处于极端环境条件下，极端环境改变会导致量子状态被破坏。
宏观量子态像美丽的泡沫，一触即破，转瞬即逝。

量子力学诞生之初，物理学家认为宏观量子态难以存在的原因，是波函数容易坍缩。
量子态坍缩，导致微观量子展现为经典物理状态。

相干性是描述波与波之间同步性和一致性。
最新解释量子态难以存在的原因，是退相干。

如一支乐队在演奏，乐器非常多，所有乐器都保持同步节奏，你能听出旋律，说明这些乐器发出的声波间，具有相干性。

在广场舞的环境，同时出现不同声音，就无法听出节奏。
只听一段音乐，称为：有相干性。
很多声音互相干扰，相干性无法显现，称为：退相干。

退相干的含义，不是相干性消失，而是被环境干扰，相干性退化，难以显现。
就像各种音乐还在，但混杂在一起无法识别。

德布罗意提出万物都是波，任何物体都有波动性。
宏观物体混在一起，互相干扰，发生退相干。

物理学家用是否能产生干涉条纹，判断一个系统是否有相干性。

2003年，奥地利科学家通过实验，让70个碳原子的C70分子，产生干涉条纹。

该实验舱处于真空状态，如在空气中，C70分子无法产生干涉条纹，波动性消失，表现粒子性。

实验还发现，往真空中逐渐加入空气，干涉条纹会越来越模糊，直至完全消失，证明退相干是一个渐进过程。

量子态在宏观世界难以存在，是因为环境干扰导致宏观物体产生退相干。
不是宏观物体的波函数发生坍缩。

宏观量子效应通常是通过制造极端环境获得，如果要操控量子效应，那操控必然带来干扰。
物理学家需要在操控和屏蔽干扰上，寻找平衡。

量子计算的发展瓶颈，就是量子比特保持相干性的时间太短。

人们使用大团粒子整体量子状态携带信息的方法，解决量子计算机退相干问题。
该方法称为：拓扑量子计算。

物理学家先从理论上发现退相干效应。
然后在实验中观察到退相干过程。
最后想到解决和应用退相干的办法。
这就是实践中提炼理论，理论推导出新的实践的案例。

爱因斯坦说：想象力比知识更重要，知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动人类进步，想象力是知识进化的源泉。

薛定谔的猫中，猫确实可以处于叠加态。
但组成猫的粒子时刻与外界互动，退相干发生得太快，人们无法观测到猫的叠加态。
无法观测不代表没有，只要不打开箱子，整个箱子仍由一个大的波函数描述。
猫虽然已经退相干，但波函数还在，猫仍存在叠加态。

退相干。

波函数坍缩。
这是两个不同概念。

量子坍缩：从叠加态变成确定态，是瞬间发生。

退相干：从有规律的叠加态，变成杂乱无章的叠加态，是逐渐发生，叠加态仍存在。

人类看到的宏观事件，本质上是无数微观粒子退相干后的结果。
退相干导致波函数变得无比巨大且复杂。
宏观事件也存在波函数，但已经复杂到没有任何意义。