上帝的家貓

薜丁格之貓是一個由物理學家薜丁格提出的思想實驗,假如我們把一隻貓咪放到一個密封箱裡面,同時密封箱內有一個探測粒子衰變的儀器。這個儀器每當探測到量子衰變,便會釋放出山埃毒,把貓咪殺死。一小時後,儀器內的粒子剛剛好有50%的機會發生衰變。假如觀察者在未打開箱子之前,是沒有辦法得知貓咪的生死。如是者,由觀察者的角度看,貓咪竟究是生還是死呢?

根據這個思想實驗,薜丁格主張,直到我們打開箱子之前,在我們的角度而言,貓咪正處一種名為「量子疊加(superposition)」的狀態。貓咪不是生存,亦不是死亡,而是處身於既生亦死的混合狀態。根據這個思想實驗,薜丁格主張,直到我們打開箱子之前,在我們的角度而言,貓咪正處一種名為「量子疊加(superposition)」的狀態。貓咪不是生存,亦不是死亡,而是處身於既生亦死的混合狀態。

根據古典物理學知識,粒子只能存在於某個位置,但利用薜丁格之貓,我們可們嘗試理解量子物理世界。就以繞著氫氣原子的一粒電子(electron)作例子,古典物理學告訴我們,電子只會巡著一道軌跡,繞著氫原子盤旋,就好像月亮繞著地球或地球繞著太陽一樣。但在量子物理學的世界,電子並非處於某一個特定位置,而處於就量子疊加(superposition)的態狀,即是「同時存在於,又同時不存在於軌道上的任何一個位置」,直至到觀察者嘗試測量出電子的確實位置,電子才會「被」決定在某個特定位置。如果以月球圍繞地球作比喻,即就好像在說,月球同時存在於(亦不存在於)軌道上的任何位置,直至我們枱高頭嘗試觀看月亮的位置,它才會因為我們的觀察而同時被決定。

(你屋企個百厭星,望少他一眼,他就是存在於屋企任何角落,又同時不存於何角落。)

這個違背直覺及常識的現象,與另一個量子物理學現象併合起來一起理解,就十分有趣了。在量子物理學之中,科學家証實了有一個名為「量子糾纏(quantum entanglement)」的現象。兩顆處於量子疊加狀下的亞原子粒子(例如:電子、中子、質子、介子、夸子、膠子、光子),縱然兩顆粒子各自處於完全被隔絕的狀態,如果其中一粒以順時針方向轉動,則另一粒就一定會以逆時針方向轉動。它們就好像一樣有心靈感應的貓咪一樣,有著秘密渠道傳遞訊息,總之一隻貓咪尾巴攞向左,另一隻貓咪的尾巴,就一定擺向右。

假設有兩箱發生量子糾纏的薜丁格之貓,一箱被運到香港,另一箱被運到無雷公咁遠的阿根廷。在打開兩箱貓咪之前,它們究竟是生是死,應該有以下四種可能處境:

而個別的貓咪,則有各自以下兩種可能處境:

假如我們打開香港貓的密封箱,量子疊加就會被「發現」或「決定」,香港貓咪就會因為我們的觀察,實現「生」或「死」其一種狀態。為了方便解釋,我們不如先假設香港貓咪死了。於是我們便可以排除 1 號 及 2 號處境,即香港貓咪生還的處境:

又因為有量子糾纏,令香港貓咪與阿根延貓咪一定處於相反的狀態,即一隻貓生,另一隻貓一定會死。於是,我們可以排除 4 號處境,因為我們知道香港貓咪死了,則阿根廷貓咪一貓在生。

神奇的事就發生了!本來,根據量子疊加,直我們打開阿根廷密封箱之前,貓咪的在「同生同死,非生非死」的狀態,但因為發生量子糾纏,觀察香港貓咪便能夠令我們推斷阿根廷貓咪的狀況呢!浪漫一點地想,薜丁格之貓就好像上帝的家貓,可以隨時偷聽上帝的秘密呢!

 

說了這麼久,除了証明到我們可以任由微觀世界的亞粒子影響宏觀世界兩隻貓咪的生死外,究竟「量子疊加」和「量子糾纏」這兩項科學發現,將會如何影我們的生活呢?!

 

這就要說到量子電腦了!

 

傳統的電腦科技,說到底只都是一種「二進制」的運算工具,依賴「1」或「0」進行演算的機器。如果你有一個格仔,就會有兩種可能組合:

當有兩個格仔,則會有四種可能組合,如此類推:

利用傳統電腦的方法,我們利用不同格仔的組合,代表不同的數字或符號,然後進行運算。例:「11」代表「A」和「10」代表「B」等等⋯⋯

 

換言之,如果我們利用很多符號或很多算式進行運算,我們便需要很多很手中排格仔。在量子電腦的世界,由於科學家改變了運算的媒介,不再以二值(只有1與0兩種可能性)的格仔作為演算工具或載體,而是改為用貓咪(噢!應該說是改為用帶有量子糾纏特性的亞粒子),以作為演算工具或載體。於是,利用量子疊加現像,亞粒子之間可以同時進行大量的平行運算。就算我們把粒子簡化解理成只有二值結果,一粒子最少也可以三種狀態:1)正極、2)負極、3)疊加。

 

當然,亞粒子不是硬幣,不只有正反兩面,疊加與糾纏結合起來,可以帶有多值概率的載體。例如:假如亞粒子A有30%機會是正極時,則與它發生量子糾纏的亞粒子B便70%是負極。過去電腦需要1,024個格仔才能做到的運算,換成量子電腦,就只需要10顆亞粒子就可以做了!如果我們擁有一部帶有100顆亞粒子的量子電腦,則它的運算能力便已經超越現今任何一部超級電腦。

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