主题：【文摘】量子计算机专题 -- 不爱吱声

对量子的研究是人们对目前所知最小的物质的行为研究。这些物质非常之小，以至于达到这种地步：试着将两个手指并拢起来，那么两指之间的宽度与地球直径之比，就差不多是原子直径与这两个指头宽度之比。正因为量子世界是一个如此奇妙的微观世界，它和我们宏观世界物质的行为相差甚远。

　　而如今，量子计算的研究已经把和量子物理学有关的词汇和概念放上了计算机科学新领域的舞台。量子物理学的核心概念就是波和粒子，以及波粒二相性这个神奇的现象。

　　在1800年的早期，Thomas Young做了一个双缝实验证明光是由波构成的。波的一个典型例子是石块在池塘中引起的波纹。当两个波相遇时，它们互相叠加，就会引起干涉。但是与池塘中的波不同的是，科学家们认为光波同时又是粒子组成的，这确实是比较让人惊奇的。

　　在1905年，爱因斯坦通过说明光是由粒子组成的解释了光电效应。基于这个思想，1923年，Louis de Broglie说明其它粒子，例如电子也可能具有波的性质。在1926年，Davisson和Germer在一个从镍晶表面离开的电子发生衍射的实验中证实了电子的波性。此后，粒子的波性在多个实验中被证明。电子、原子和分子等粒子有时候表现出粒子性，有时候表现出波性。这就是物理学中所熟知的波粒二相性，也就是说光波、电波是波，同时也是粒子（想象一下微小的灰尘颗粒可能使你对粒子的理解更直观些，然而实际的粒子要远远小于灰尘颗粒）。

　　波是和电子相关的，例如，波在空间中的传播是沿所有可能的轨道。粒子可能是在一种重叠态。但是，无论何时我们测量粒子的位置，都会发现它在一个非特定的位置（测不准原理）。这是量子物理学的一个令人吃惊的特征，但是也是量子世界的核心。

　　上图所示为一束电子射向带有两个小缝的板时发生的现象，从而验证了波粒二相性。电子波穿过两个小缝然后扩展到每个缝的右边。当这些电子波重叠时，如果两个小缝穿过的电子波都是波峰和波峰相遇，则叠加产生更大的峰；但是如果波峰和波谷相遇时，则互相抵消。这种现象就叫做干涉，干涉的结果产生了复杂的干涉图样，并扩展到整个屏幕。这个干涉图样决定了在哪里可以找到电子。波高度最大处电子出现的机率最大，波高为0处电子不可能出现。

　　上图所示是当许多电子穿过缝之后屏幕的形貌。每个电子，作为一个点粒子在照相底片上留下一个点。如果其中一个缝被阻塞，那么图像上就不会产生暗条纹。但是，当两个缝都没有被阻塞时，那么电子就不会出现在屏幕上的某些区域因而形成暗条纹。

　　那么在这个过程中，一个电子是否只从两条缝中的某一条穿过呢？按常识，人是不可能同时通过两扇不同的门的，然而电子毕竟不是人，微观世界的原则与我们日常所见的宏观世界相差很远：科学家告诉我们，暗条纹之间的距离是和两条缝之间的距离有关的（相反的关系）。因为电子留下了暗条纹，所以必然会有一些关于缝距的信息。换句话说，电子一定和两条缝都有关系。因此我们得出了一个会感觉很奇怪的结论，一个电子同时穿过了两条缝。

　　这就是重叠的性质，粒子可以同时出现在两个地方。人们利用这个性质来使得量子计算机同时做多种计算。