設(shè)置星標(biāo) 關(guān)注，從此你的世界多點科學(xué)~

在《世界科學(xué)》雜志2025年第5期中，有兩篇專稿介紹了量子領(lǐng)域的兩個重要研究方向，一篇叫《量子世界究竟在哪里結(jié)束，具體的現(xiàn)實從哪里開始？》，一篇叫《全尺寸量子計算機究竟有什么用？》。一眼就可以看出，前者主要談的是理論，后者主要談的是應(yīng)用。然而更仔細地觀察，可以發(fā)現(xiàn)兩者談的都是薛定諤的貓：前者談的是薛定諤貓的生死，后者談的是薛定諤貓的用處。

薛定諤的貓，可能是最為公眾熟知的量子力學(xué)概念之一，甚至還可以把“之一”去掉。薛定諤（Erwin Schr?dinger，1887—1961）是量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一（這個“之一”肯定不能去掉），他在1935年提出了這個思想實驗。

把一只貓、一個放射性原子和一瓶毒藥一起放在一個房間里，在一定的時間內(nèi)，這個放射性原子有一半的概率衰變，一半的概率不衰變。如果放射性原子衰變了，毒藥就釋放出來，將貓毒死（動物保護協(xié)會發(fā)來抗議！）。如果不衰變，貓就活著。

那么在你沒有打開房間觀察的時候，你該怎么描述貓的狀態(tài)？你只能說，貓?zhí)幵谝话胨酪话牖畹寞B加態(tài)。但這樣的狀態(tài)我們從未觀察到，甚至都難以想象這樣的狀態(tài)。因此，薛定諤的貓對量子力學(xué)是個巨大的挑戰(zhàn)，至少對它的實在性或完備性而言，是如此。

然而仔細想想，薛定諤的貓之所以難以想象，究竟是因為什么？難道不是因為貓?zhí)罅藛幔?/p>

如果把貓換成原子或者分子或者光子或者其他的微觀體系，我們就不會覺得有任何奇怪的了，因為這樣的狀態(tài)我們經(jīng)常見到，也經(jīng)常用到——至少對于學(xué)過量子力學(xué)的人是如此。事實上，微觀體系的薛定諤貓態(tài)早已大量地制備出來，并一再被證實它們確實具有量子體系的那些奇妙性質(zhì)。

因此，就出現(xiàn)了一個邏輯問題：這一切究竟有沒有個極限？是否存在一條邊界，比這個小的是量子世界，比這個大的是經(jīng)典世界？量子世界就是允許薛定諤貓態(tài)出現(xiàn)的世界，經(jīng)典世界就是不允許薛定諤貓態(tài)出現(xiàn)的世界。或者開玩笑地說，量子計算就是允許薛定諤貓（態(tài)）活著的世界，經(jīng)典世界就是薛定諤貓（態(tài)）必然死亡的世界。

其實在很多人看來，并不存在這樣的邊界，因為量子力學(xué)的理論形式是完全普適的，原則上它適用于所有的體系，無論大小。但也一直有人在探討，如果存在這樣的邊界會怎么樣，如何找到這樣的邊界。

在這當(dāng)中特別有趣的一類，叫做自發(fā)坍縮理論。量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)理論認為，一個量子體系的狀態(tài)是用波函數(shù)來表示的，而每當(dāng)對某個物理量觀測時，會強迫這個波函數(shù)坍縮成某個隨機的可能結(jié)果之一，同時獲得這個物理量的一個隨機的觀測值。波函數(shù)坍縮是量子力學(xué)中最神秘的方面之一，由此還帶來一些神秘問題，如究竟什么叫做觀測。

而自發(fā)坍縮理論認為，沒有觀測的時候，波函數(shù)也會自發(fā)地以一定概率坍縮。假如這個理論是正確的，就可以自動解決量子力學(xué)中的很多困難。《世界科學(xué)》雜志的這期專稿《量子世界究竟在哪里結(jié)束，具體的現(xiàn)實從哪里開始？》一文中提到的吉拉爾迪- 里米尼- 韋伯模型（GRW模型），就是一種代表性的自發(fā)坍縮理論。整體上，這篇文章講的就是在尋找經(jīng)典與量子分界線方面最新的一些實驗工作，或者更準(zhǔn)確地說，為實驗做的一些準(zhǔn)備。目前這類實驗還從來沒有得到特別的結(jié)果，但假如有朝一日得到了，那將無疑開啟一場新的科學(xué)革命。

關(guān)于薛定諤貓，還有一大問題，就是它有什么用。

量子計算是目前所有科學(xué)領(lǐng)域中最熱門的方向之一，因為幾乎所有人都聽說了，量子計算的應(yīng)用前景巨大。而對量子計算有了解的人會知道，量子計算機能超越經(jīng)典計算機的關(guān)鍵，就是要用到量子糾纏，也就是薛定諤貓態(tài)。假如一臺量子計算機沒有用到量子糾纏，那它其實是毫無意義的。

但在量子計算吸引了巨大的關(guān)注和資金的背景下，一個有點令人尷尬的問題被提了出來：它究竟能用來干什么？其實每次記者采訪我這個問題，我都會說出很多，如密碼破解、數(shù)據(jù)庫搜索、天氣預(yù)報、交通規(guī)劃……但需要注意的是，所有這些都是遠景，而不是近景，更不是已經(jīng)實現(xiàn)的。

為什么會這樣？一方面，當(dāng)然是因為量子計算機的硬件還太弱了：量子比特的數(shù)量還不夠，量子操作的保真度還不夠高，或者說太容易出錯。這是非常容易理解的。但另一方面，只有內(nèi)行才知道的是，量子計算機的軟件也還遠遠不夠。

公眾往往以為，量子計算機無論干什么事情都比經(jīng)典計算機快。但這其實是個巨大的誤解，量子計算機要發(fā)揮優(yōu)勢，必須要針對特定問題設(shè)計特定算法。對于有這樣算法的問題，量子計算機才能超越經(jīng)典計算機。也就是說，量子計算機只是在一些問題上比經(jīng)典計算機快，這些問題是需要尋找的。

而目前，我們找到的、有嚴(yán)格數(shù)學(xué)證明的量子計算機有優(yōu)勢的問題，其實是屈指可數(shù)的。如何尋找更多的能發(fā)揮量子計算優(yōu)勢的問題，就是《全尺寸量子計算機究竟有什么用？》專稿文章的內(nèi)容。所以當(dāng)我們從哲學(xué)層面思考薛定諤貓的生死之后，我們還需要面對現(xiàn)實問題：薛定諤貓有什么用？

-本文作者袁嵐峰是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心副研究員、科技傳播系副主任、科學(xué)傳播研究與發(fā)展中心副主任，中國科協(xié)科普專業(yè)研究員，安徽省科協(xié)常務(wù)委員，科技與戰(zhàn)略風(fēng)云學(xué)會會長，中國青少年新媒體協(xié)會常務(wù)理事，中國科普作家協(xié)會理事，中國物理學(xué)會科普工作委員會委員，中國化學(xué)會科普工作委員會委員，入選“典贊·2018科普中國”十大科學(xué)傳播人物；2025年《世界科學(xué)》第6期“卷首語”改編自本文-

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