作者:冯卫东 来源:科技日报 发布时间:2009-7-13 15:40:53
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《科学》:“量子漫步”从理论变为现实
对研发量子计算机具有开创性的重大意义

根据“随机漫步”理论,每完成一阶段的抛硬币后确定的位置,很少出现偏离原始出发点太左或太右的情况。
 

 
你扔出一枚硬币,硬币要么正面朝上,要么背面朝上。但是在微观情况下,事情并非完全那么确定。如果你扔出的是一枚“原子”硬币,那么你得到的可能是一种正面和反面的叠加态。但是,这样的情况只是发生在你不在观察硬币的时候。如果你去观察,呈现在你眼前的可以是正面也可以是反面,随你喜欢而定。如果你像抛硬币一样扔出一个量子粒子,你就会看到不同寻常的效应。德国波恩大学的物理学家首次在铯原子实验中展示了这种效应。他们的研究结果刊登在7月10日出版的《科学》杂志上。
 
我们来假设下面的实验:将一枚硬币放在一名测试者手中,我们权且将这名测试者叫做小王,小王现在的任务就是把硬币多抛几次。当硬币正面朝上时,小王就向右跨一步;相反,当硬币背面朝上时,小王就向左跨一步。小王抛完10次硬币后,我们来观察小王的位置在哪里。这时,我们会看到小王距离第一次抛出硬币的地方并不会太远,因为通常情况下硬币出现正面和反面的机会大致相等。如果小王想要抛完10次硬币后,往右走出10步,这样的情况一般都不会发生。
 
我们再来假设小王是一个非常耐心的人。他非常耐心地成功抛完了1000次硬币。每走一步,他都会记下自己的位置。当实验结束时,我们将结果做成一个图表,得到的将会是一个典型的钟形曲线(亦称正态分布曲线)。每扔完10次,小王都会发现自己接近于原始出发点,很少发现自己偏离原始出发点太左或太右。
 
这个实验被称为“随机漫步”,这种现象可在许多现代科学领域(如布朗运动)中发现。在量子物理世界中,类似现象则有一个新的有趣特性,叫做“量子漫步”。直到目前为止,量子漫步或多或少还只是一个理论架构,现在,波恩大学的物理学家终于首次实际执行了这样的量子漫步。
 
实验通过使用激光束组成的光镊操纵一个铯原子来实现,激光束同时扮演漫步者和硬币的角色。铯原子能呈现出不同的量子力学态,这有点像硬币的正面或是反面朝上。但在微观层面,情况要稍许复杂一些,因为量子粒子能够以不同状态的叠加态存在。这种情形基本上就是一种“有一点正面朝上,又有一点反面朝上”的状态。物理学家将其称为“态叠加”。
 
通过使用激光束组成的传送带,波恩大学的物理学家将铯原子拉向两个相反方向,“正面”部分向右,“反面”部分向左,如此将两个状态分开了近数千分之一微米。之后,科学家们再次“抛出硬币”,将两种状态的每一个都变成了正面和反面的叠加态。
 
铯原子经过数次这样的“量子漫步”后就基本上延伸到了任何地方。只有当你去观测时才会得到确定的位置。其位置的出现概率主要由量子力学的第二效应决定。这是基于原子的两个部分能自我加强或是自我毁灭,光物理学家称这种现象为干扰。
 
就像小王投掷硬币的例子一样,这样的量子漫步也可多次执行,然后,科学家们就可以得到反映原子存在概率的曲线图。多次量子漫步的记录显示曲线高峰在两翼。这个曲线与传统的随机漫步得出的结果具有明显的不同。但是,如果每“扔”一次就破坏量子态叠加,量子漫步就变成了随机漫步,铯原子的行为就跟小王的无异。
 
波恩大学迪特尔·梅赛德教授的研究小组多年致力于量子计算机的研究。量子漫步的实现对研发量子计算机具有开创性的重大意义,通过它新的算法就可以得到应用。比如,在现代技术中,要从一串0中找出某一个0,人们必须检查每个数位,所需的时间随0的总体数量的增加而线性增加。如果使用量子漫步算法,漫步者可以同时在多处搜索,“大海捞针”的速度就被极大地提高了。
 
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