摘要：量子力学无疑是一个稳健而成功的理论——迄今为止，它的所有预测都已成立，科学家们可以基于它构建强大的技术。然而，理解它所揭示的现实本质以及我们如何体验现实却并非易事。一个世纪以来，物理学家和哲学家们一直在努力探究它，消除了一些早期的模糊之处，但仍存在一些概念性问

量子力学无疑是一个稳健而成功的理论——迄今为止，它的所有预测都已成立，科学家们可以基于它构建强大的技术。然而，理解它所揭示的现实本质以及我们如何体验现实却并非易事。一个世纪以来，物理学家和哲学家们一直在努力探究它，消除了一些早期的模糊之处，但仍存在一些概念性问题。量子物理学的非直觉性使其容易滋生误解。本文，六位物理学家将探讨关于量子历史、理论和应用的广泛流传的谬论的起源。

如果你过去几年一直关注量子科学的进展，你可能会认为实验已经成功地将量子粒子送回过去。然而，尽管有引人入胜的理论提议和实验研究，但这一目标至今尚未实现。

这个想法依赖于对量子“时间循环”的利用——时空的假设扭曲，允许粒子或其他任何东西在比进入时更早的时间退出循环。这些循环可能存在于宇宙中，例如通过时空结构中的隧道。

量子物理学的一个世纪

最近的提案基于量子比特的量子隐形传态，即量子比特的状态从一个位置传输到另一个位置，而无需在两个位置之间进行物理移动。这可以通过使用一对纠缠的量子比特来实现，每个位置一个。

然而，为了避免违反核心原则，例如无法实现超光速通信，量子隐形传态最多只能在四分之一的时间内成功。在剩余的时间内，接收方需要利用发送方的信息来校正其隐形传态的量子比特。但研究人员正在研究一种替代方法，即丢弃这些失败的情况，只保留成功的四分之一。

这种选择性隐形传态已被提出作为允许时间旅行的量子宇宙的模型。这样的宇宙可能拥有物理定律，可以自动丢弃任何因改变过去而产生的矛盾结果。通过遵循类似的协议，但手动丢弃某些测量结果，研究人员在计量学（进行精确测量的科学）领域取得了量子优势。

实验结果看起来与真实时间循环的结果相同，但其行为是由量子纠缠设计的。因此，目前还没有人真正将粒子送回过去。但广义相对论允许时间旅行——量子模型也提供了解决其悖论的有希望的方法。因此，量子力学或许能让时间旅行成为可能——但我需要读一篇从未来发回的论文才能确定。

量子计算机的前景及其解决一系列密集计算问题的能力——从电子的量子行为如何影响化学反应到优化物流路线——已经催生了一个蓬勃发展的行业，吸引了数十亿美元的投资者资金。随着人们对量子计算机的兴趣日益高涨，人们对量子计算机的工作原理、它们为何拥有如此强大和快速的计算能力以及它们的局限性的误解也日益加深。拥有一台量子计算机是一回事，从中提取复杂计算的正确答案则是另一回事。而且，它不会简单地加速所有现有的应用程序——我们不太可能需要“量子词”或“量子缩放”。相反，它们是探索非常复杂系统的有前途的工具。

人们有时认为量子设备依靠同时为 0 和 1 的量子比特（qubit）来提供功率和速度；相比之下，经典比特要么是 0，要么是 1。这具有误导性。实际情况是，量子比特处于 0 和 1 经典状态的叠加态。每次测量时，都有可能被测量为 0 或 1。

宇宙可能是一台巨大的量子计算机吗？

当将多个量子比特组合在一起（例如N 个）以组成量子计算机时，它们的量子叠加态跨越的数学空间与 2 N个经典比特相同；这通常被称为具有指数级加速的量子并行性。执行量子计算时，系统会从这 2 N个可能的状态中输出一个状态。

计算必须重复多次（尽管少于 2N次，但当N很大时这是不可能的），才能构建系统的概率图景：概率最高的结果就是正确答案。这种开销可能会削弱量子计算机相对于传统计算机的优势。能够提高每次计算获得正确（最可能）结果概率的算法至关重要。

量子计算机的另一个局限性在于量子态非常脆弱，需要保护其免受环境干扰，因为环境干扰可能会破坏量子态。研究人员正在探索巧妙的方法，通过降低误差的算法来实现这一点。

因此，量子计算机确实是依赖于量子叠加和并行性的强大机器——但也需要在算法、硬件和软件方面进行创新才能充分发挥其潜力。

你可能听说过，阿尔伯特·爱因斯坦所说的“鬼魅般的超距作用”在技术上被称为“纠缠”，而他坚称纠缠不可能存在。这两种说法都不正确。

“幽灵般的作用”这一说法直接翻译自德语短语“spukhafte Fernwirkung”（幽灵般的作用），爱因斯坦在1947年写给物理学家马克斯·玻恩的信中写道。他指的是一个长期令他着迷的想法——如何解读量子力学中的测量过程。他此前曾将其描述为依赖于一种“特殊的超距作用机制”（G. Bacciagaluppi 和 A. Valentini 预印本，arXiv https://doi.org/p2ns；2006）。

从数学上讲，量子力学中的测量过程是瞬时的。假设你想测量一个粒子的位置。在你测量之前，量子方程允许该粒子同时位于多个位置。然而，当你观察或测量它时，它突然就只位于一个位置了。

不要相信炒作——量子技术还不能解决现实世界的问题

这种现实在观察时似乎突然从不确定性中显现出来的问题被称为测量问题。这种更新速度比光速更快，似乎违反了爱因斯坦的狭义相对论，该理论认为任何信号都无法超越光速。爱因斯坦当然不喜欢这种说法。正因如此，爱因斯坦在1935年与物理学家鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森共同论证，量子力学必定是一个“不完备”的理论（A. Einstein et al. Phys. Rev. 47 , 777; 1935），其中测量仅仅是对潜在物理现实的概率描述。

同年，埃尔温·薛定谔创造了“纠缠”一词，用来描述两个或多个物体之间的关联，而一个人对这种关联知之甚少。例如，有两个粒子，一个在左边，一个在右边，它们各自的状态（物理学家通常认为是“自旋”属性，但也可能是其他属性，例如动量）可以是+1或-1，并且两个值之和必须为0。因此，要么左边的粒子自旋为-1，右边的粒子自旋为+1，要么反过来。

在实验中，你可以翻转一个粒子的自旋，比如左边那个，即使不知道它是什么。如果它原来是-1，现在变成+1；如果它原来是+1，现在变成-1。如果你这样做，右边的粒子会发生什么？什么也没有。另一个粒子本身没有变化，两个粒子仍然纠缠在一起——只是它们之间的关联发生了变化。你把一个纠缠系统变成了另一个同样纠缠的系统。纠缠中不存在“幽灵般的行为”，也不存在比光速更快的信息交换。

我认为，甚至一些物理学家也混淆这一点的原因是，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在1935年的论文中，使用了我们现在所说的“纠缠粒子”来解释系统测量瞬时更新的问题。可以说，测量和纠缠这两个概念纠缠在一起了。

爱因斯坦从未声称纠缠或量子物理学本身是错误的。他质疑的是测量的物理解释：一个量子系统似乎存在于几种可能的叠加态，但一旦被观察，就会立即更新到另一种状态。这个问题至今仍未得到解决。

插图：Sandro Rybak

物理学家们设计了两大理论来理解现实。广义相对论主导着大尺度（例如整个宇宙）事物的发生方式。而量子力学则涵盖原子大小或更小的力。许多物理学家辩称，它们可能永远无法调和——尽管我们并没有确凿的证据证明这是不可能的。过去几年，物理学的进展以及诸如引力波等新观测的潜力，让我充满希望，我们不需要一个全新的理论来涵盖这两个理论。

这些理论目前的形式，所描绘的图像彼此完全矛盾，不切实际，甚至难以理解。例如，广义相对论很好地解释了引力，认为它是大质量物体存在时空的曲率。但由于广义相对论认为粒子的质量不为零，且集中在一个点（体积为零），因此在亚原子尺度上遵循这种理论会导致引力无限大，这毫无道理。

“量子”原理解释了原子为何如此

人们曾多次尝试调和这两个框架。其中之一就是弦理论——粒子和力源于微小的一维“弦”的振动。但该理论遇到了问题：它无法解释观测到的宇宙膨胀及其结构，也没有任何直接实验支持它。其他从经典引力出发并试图将其“量子化”的方法也未能成功。

我正在探索一条从量子物理学入手，并将引力融入其中的路径。我正在研究一种量子时空——具有量子属性的空间和时间，其离散的质量能级在我们的宏观世界中模糊地融合成一个连续体，就像原子能级一样。

最终，为了检验这一理论，需要进行更多测量——对宇宙早期膨胀的测量，以及现在对黑洞引力波的测量，以及在实验室中重现引力的实验系统。例如，接近绝对零度的原子表现出凝聚态物质的特性，类似于黑洞附近物质的行为。如果我们通过观测了解更多关于宇宙的知识，我希望，结合理论，这两个框架能够统一起来。

经典加密方案依赖于将明文信息编码成难以理解的“密文”，只有拥有密钥的接收者才能读取。密文也可能在没有解密密钥的情况下被破解，但破解密文意味着需要能够解决一些众所周知的数学难题——“难题”是一个专业术语，指的是无法在给定的有限时间内通过计算解决。直观地讲，加密方案背后的数学问题越难，就越难破解，加密也就越安全。 

理想情况下，加密方案应该依赖于计算机根本无法有效解决的问题。但研究人员实际上并不清楚，对于可以充当公钥的经典计算机而言，是否存在此类问题（大数因式分解，即 Rivest-Shamir-Adleman (RSA) 加密协议——该协议广泛应用于电子商务和其他领域——被认为是基于此问题，但我们没有证据）。我们对量子计算的理解甚至更加肤浅。我们对它们能做什么、不能做什么知之甚少。

人工智能炒作、北极光闪耀等等：阅读这些节日读物，感受这一切

我们唯一知道的是，一些被认为在数学上对传统计算机来说很难、并曾用于密码学的问题，现在被认为对量子计算机来说很容易——至少在理论上，它们可以在给定的时间内被有效地解决。但据我们所知，还有很多问题对于量子计算机来说仍然难以解决。 

根据我在理论计算机科学方面的经验，我认为我们不太可能耗尽用于安全编码信息的加密技术。数学和计算机科学中仍有许多问题对于量子计算机来说难以解决。即使耗尽，我们也能找到更多。构建安全的加密就像一场棋局——你只需要领先于攻击者。这是密码学中一个非常令人兴奋的领域。 

为了获得尽可能好的保障，我们假设诚实方只能访问目前可用的普通经典计算机，而攻击者可以访问量子计算机。如果我们假设即使是普通用户也能访问量子计算机，那么我们就可以利用量子力学原理来保护信息，从而产生更强大的“量子加密”概念。这一领域的一个重要里程碑是找到一种分发不可破解密钥的方法，这在经典计算环境中尚不为人所知。

科学家们设计了许多量子力学的解释，试图理解其中的奥秘。一些物理学家和哲学家认为，解决其臭名昭著的测量难题——解释经典系统如何通过观察量子系统而出现——归根结底在于从众多解释中选择正确的解释。但事情并非如此简单。到目前为止，不同的解释适用于不同的现象，没有一种解释能够解释一切。

从实际角度来看，解决测量问题意味着理解在构成量子力学的数学形式中，在原子尺度系统中观察状态叠加会导致其“坍缩”为单一结果的位置和方式。从哲学角度来看，这引出了关于观察者（无论是人还是实验室仪器）如何与现实世界互动的问题。对此的解释主要分为两类。

第一种解释保留了现有的量子力学方程，但扰乱了观察者与证据之间的关系。例如，“多重世界”诠释认为，当我们进行测量时，所有可能的结果都会发生——假设（就我们所知）发生在数学空间中的“平行世界”中，与方程一致。

但如果所有结果都会在某个地方发生，那么相同测量得出相同结果的频率就无关紧要了，因为我们知道所有可能的结果组合都一定会在某个地方发生。但支持量子力学的证据取决于它预测的概率与观察到的结果频率是否匹配。例如，激光和量子计算就依赖于这种精确的概率。多重世界理论与此相悖。其他走类似路线的解释也存在各自的问题。

第二类是，研究人员通过添加额外的“隐藏变量”，或者说更多机制来修改量子力学的数学形式，从而加速叠加态坍缩为单一结果。但这些调整引发了一系列技术挑战，需要将更新后的形式与量子理论的其他方面相协调——这引发了量子场论（它将量子力学与狭义相对论结合起来）中的问题。

其中一些问题或许在未来得到解决。然而，就目前情况而言，我们最先进的科学理论仍然未能以我们能够理解的方式与现实相一致地联系起来。在我看来，目前的问题与其说是从现有的解释中选择正确的解释，不如说是等待那一瞬间的灵感，或许它能让我们看清量子理论的真相。

自然644 , 866-869 (2025)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-02638-z

来源：人工智能学家