深度長文：神秘的量子世界，到底有多詭異？

拿起一顆球，用力扔向墻面，它會遵循固定的軌跡反彈回來，你只需伸出手，就能精準地再次抓住它。這一幕日常場景，是我們對世界運行規律最直觀的認知：物體的運動有跡可循，不會憑空消失，也不會毫無征兆地變成另一種東西。這種完全可預測、符合直覺的行為背后，是經典物理學構建的堅實框架在發揮作用。

從伽利略的自由落體實驗到牛頓的萬有引力定律，再到麥克斯韋的電磁理論，經典物理學用一套簡潔而嚴謹的規則，解釋了從蘋果落地到行星公轉的所有宏觀現象。在1900年量子力學誕生之前，它就是物理學的全部。當時的物理學家普遍相信，無論是微小的塵埃粒子，還是浩瀚宇宙中的恒星行星，控制球反彈的那套經典規則都能無差別地描述宇宙中的一切事物——世界就像一臺精密的鐘表，每一個零件的運轉都遵循既定的規律，只要掌握了初始條件，就能精準預測其未來的所有狀態。

然而，當科學的視角深入到微觀世界，這臺“精密鐘表”的表象被徹底打破。

1900年，普朗克為解決黑體輻射問題提出能量量子化假說，標志著量子力學的正式誕生。在隨后的一個多世紀里，尤其是過去四十年，隨著觀測技術的不斷進步，我們所認知的世界逐漸變得陌生而詭異。在微觀尺度下，物體可以同時出現在兩個地方，粒子能像波一樣擴散傳播，甚至兩個相距遙遠的粒子之間能產生瞬間的相互影響。量子世界的這些怪誕特性，早已超越了經典物理學的認知邊界，成為科學界乃至大眾津津樂道的傳奇。但直到今天，這些怪誕現象的起源仍然是一個懸而未決的謎題。一代又一代的理論物理學家前赴后繼，試圖破解一個核心問題：究竟是什么賦予了量子世界這種明顯違背直覺的“量子屬性”？

答案至今仍隱藏在迷霧之中，但這種認知上的空白，卻深刻影響著我們對現實本質的理解，也制約著我們將量子現象轉化為實用技術的能力。一個世紀以來，物理學家們提出了無數種假說，從哥本哈根詮釋到多世界理論，從隱變量理論到退相干理論，每一種假說都試圖勾勒出量子世界的真實面貌，卻又都存在無法彌補的缺陷。

不過，隨著實驗技術的突破和理論研究的深入，我們似乎正在一步步接近這個終極答案。在眾多探索方向中，量子計算的發展成為了照亮迷霧的一束光——這種被認為將顛覆傳統計算模式的新技術，其核心優勢恰恰源于量子世界的怪誕特性。如果我們能通過量子計算的研究，揭開量子屬性的本質，那么一場不僅限于計算領域的科技革命，將為期不遠。

追溯量子力學的發展脈絡，一切都繞不開阿爾伯特·愛因斯坦。

20世紀初，經典物理學看似已經完美解釋了所有已知現象，但在微觀領域和高速領域，卻出現了一系列無法解決的“烏云”。正是在這樣的背景下，以愛因斯坦為代表的一批年輕物理學家，掀起了一場物理學革命。

1905年，被后人稱為“愛因斯坦奇跡年”，這一年他發表了三篇改變物理學走向的論文，其中一篇關于光電效應的研究，首次提出了“光量子”假說。當時，物理學界早已普遍接受光的波動學說，麥克斯韋的電磁理論也已證明光是一種電磁波。但愛因斯坦的研究指出，光的傳播和吸收并非連續的波動，而是以離散的“粒子”形式進行的——這種粒子被后來的物理學家命名為“光子”。光電效應的實驗現象也充分證明了這一點：當頻率足夠高的光照射到金屬表面時，會瞬間打出金屬中的電子，而光的強度僅影響打出電子的數量，不影響電子的能量，這與波動學說的預測完全不符，卻能被光量子假說完美解釋。

愛因斯坦的這一發現，打破了“光要么是波要么是粒子”的經典認知，首次提出了光的“波粒二象性”。而更讓物理學界困惑的是，隨后的實驗發現，這種二象性并非光的專屬特性。當物理學家用電子束進行雙縫干涉實驗時，詭異的現象出現了：如果不觀測電子的運動軌跡，電子束會像波一樣產生干涉條紋；而如果試圖觀測電子通過哪條縫，干涉條紋就會瞬間消失，電子則表現出粒子的特性。這一實驗表明，電子這種典型的“粒子”，也同樣具有波動屬性。光和物質的波粒二象性，徹底顛覆了經典物理學對“粒子”和“波”的嚴格劃分，迫使物理學家重新思考光和物質的本質結構。

為了描述微觀粒子的這種詭異行為，物理學家們引入了“波函數”的概念。薛定諤在1926年提出的薛定諤方程，成為了描述波函數演化的核心方程。

根據量子力學的哥本哈根詮釋，微觀粒子的運動狀態無法用經典力學中的“位置”和“速度”來精準描述，只能用波函數來表示——波函數的平方，代表了粒子在某一位置出現的概率。在沒有被觀測之前，粒子的波函數處于“疊加態”，也就是說，粒子同時存在于所有可能的位置，所有這些可能性都同時真實存在。只有當我們對粒子進行觀測時，波函數才會瞬間“坍縮”，粒子才會確定地出現在某一個位置。這種用概率和波函數代替確定結果的描述方式，催生了一系列令人震驚的量子效應，其中最典型的就是“量子隧穿”。

在經典物理學中，一個粒子如果沒有足夠的能量，就無法越過一道高于其能量的勢壘，就像一個人無法憑空跳過一堵足夠高的墻。但在量子世界中，粒子的波函數會延伸到勢壘的另一側，這意味著粒子有一定的概率“穿越”勢壘，出現在勢壘的另一邊——這種看似違背能量守恒的“隧穿”現象，并非理論推測，而是已經被實驗證實的事實，現代半導體器件中的隧道二極管，就是利用量子隧穿效應工作的。

量子世界的這種概率性描述，讓許多物理學家感到難以接受，其中最主要的反對者，正是愛因斯坦。盡管他本人提出了光量子假說，為量子力學的發展奠定了基礎，但他始終無法認同哥本哈根詮釋中“概率主導宇宙”的觀點。愛因斯坦堅信，宇宙的運行規律是確定的，量子力學的概率性描述，只是因為我們尚未發現某些“隱變量”——只要找到這些隱變量，就能像經典物理學一樣，精準預測微觀粒子的運動狀態。他曾多次與玻爾等哥本哈根詮釋的支持者展開辯論，其中最著名的一次，就是他提出的“EPR悖論”。

1935年，愛因斯坦與普林斯頓大學的兩位同事鮑里斯·波德斯基、內森·羅森合作，發表了一篇題為《能認為量子力學對物理實在的描述是完備的嗎？》的論文，提出了著名的EPR悖論（以三位作者的名字命名）。這篇論文通過一個思想實驗，揭示了量子力學概率性描述背后的矛盾。愛因斯坦等人指出，在適當的條件下，兩個微觀粒子經過相互作用后，它們的波函數會緊密地“綁定”在一起，形成一種特殊的狀態——這種狀態被薛定諤隨后命名為“量子糾纏”。處于糾纏狀態的兩個粒子，無論相距多遠，只要對其中一個粒子進行觀測，確定了它的狀態，另一個粒子的狀態就會瞬間被確定，哪怕它們之間相隔光年之遠。

在經典物理學的框架中，這一現象是完全不可理喻的。經典物理學認為，任何信號的傳播速度都不能超過光速，這是相對論確立的基本準則。這意味著，兩個相距一光年的物體，要產生相互影響，至少需要一年的時間——信號需要用一年的時間才能從一個物體傳到另一個物體。

但根據EPR悖論的描述，糾纏粒子之間的相互影響是瞬間發生的，完全突破了光速的限制。愛因斯坦將這種看似違背相對論的現象，斥之為“鬼魅般的超距作用”，并以此證明量子力學的描述是不完備的，必然存在尚未被發現的隱變量。

與愛因斯坦的擔憂不同，另一位量子力學的先驅埃爾溫·薛定諤，卻從量子糾纏中看到了量子世界與經典世界的本質區別。他在1935年給愛因斯坦的信中寫道，量子糾纏是量子力學的“特征性質”，正是這種特性，將量子世界與經典世界明確區分開來。在薛定諤看來，量子糾纏的詭異之處，恰恰是破解量子屬性本質的關鍵——如果能搞清楚糾纏的起源，或許就能明白為什么量子世界與經典世界如此不同。但在隨后的幾十年里，物理學家們對糾纏的理解始終停留在理論層面，由于實驗技術的限制，無法通過實驗驗證EPR悖論的正確性，也就無法判斷愛因斯坦的隱變量理論與哥本哈根詮釋孰是孰非。

愛因斯坦等隱變量理論的支持者認為，糾纏粒子的狀態其實在它們相互作用分離的那一刻就已經確定了，就像一副手套被分別裝在兩個盒子里，然后送到宇宙的兩端。當你打開其中一個盒子，發現里面是右手套時，你會瞬間知道另一個盒子里是左手套——這并不是因為兩個手套之間存在“超距作用”，而是因為手套的“左右手屬性”在分離時就已經確定了，觀測只是揭示了這個早已存在的事實。這種理論既解釋了糾纏現象，又保持了經典物理學的“局域性”（即物體的相互影響不能超過光速），因此得到了不少物理學家的支持。

這一僵局直到1964年才被打破。當時，北愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾發表了一篇具有里程碑意義的論文，提出了著名的“貝爾不等式”。貝爾指出，通過設計特定的實驗，可以區分真正的量子糾纏和隱變量理論所描述的“經典糾纏”。如果實驗結果滿足貝爾不等式，就說明隱變量理論是正確的，量子力學的描述是不完備的；如果實驗結果違背貝爾不等式，就說明隱變量理論不成立，量子力學的非局域性是真實存在的。貝爾的這一理論，將原本停留在哲學層面的爭論，轉化為了可以通過實驗驗證的科學問題。

從1972年開始，物理學家們陸續開展了一系列驗證貝爾不等式的實驗。最早的實驗由美國物理學家克勞瑟等人完成，他們利用光子對的糾纏進行實驗，結果首次證明了貝爾不等式被違背。但由于當時的實驗設備存在缺陷，實驗結果存在一定的“漏洞”——比如實驗中光子的探測效率不高，可能導致統計結果出現偏差；或者兩個觀測裝置之間的距離太近，存在信號傳遞的可能。為了消除這些漏洞，物理學家們不斷改進實驗方案。

2015年，荷蘭代爾夫特理工大學的團隊完成了一項“無漏洞”的貝爾實驗：他們將兩個糾纏光子分別發送到相距1.3公里的兩個觀測站，實驗結果明確違背了貝爾不等式，且消除了之前所有的實驗漏洞。這一實驗最終證明，量子糾纏是一種真實存在的量子現象，隱變量理論是錯誤的，量子世界確實具有“非局域性”——兩個糾纏粒子之間的相互影響，確實可以超越空間的限制，瞬間發生。

“這些實驗決定了任何拯救經典實在論的希望的命運。”倫敦大學戈德史密斯大學從事量子信息理論研究的馬蒂·霍本評價道。量子非局域性的證實，讓我們對量子世界的認知又深入了一步，但這并沒有徹底揭開量子屬性的本質。物理學家們很快發現，非局域性并不能解釋所有的量子怪誕現象。首先，非局域性只存在于兩個或多個粒子的糾纏系統中，對于單個粒子的量子效應——比如量子隧穿、單粒子的疊加態等，非局域性完全無法解釋。其次，除了非局域性，量子世界還存在其他違背經典物理學的特性。這意味著，非局域性只是量子屬性的一個方面，而非全部。要找到量子世界的核心密碼，我們還需要繼續探索。

這個問題的答案，再次將我們的目光拉回愛因斯坦和EPR悖論。EPR論文及其支持者在提出隱變量理論的同時，還隱含了一個重要的假設：量子實驗遵循與經典實驗相似的規則——任何物體都具有固定的、獨立于觀測的內在性質，觀測的作用只是揭示這些性質，而不會改變它們。就像左手套無論是否被觀測，它的“左手屬性”都是固定不變的，觀測環境的變化不會影響它的本質。這種假設在經典世界中是完全成立的，但在量子世界中，它是否仍然成立？

貝爾不等式的實驗驗證，不僅否定了隱變量理論，也間接挑戰了這一假設。

實驗結果表明，對于糾纏粒子對來說，對其中一個粒子的觀測結果，不僅取決于觀測的方式，還與對另一個粒子的觀測方式密切相關。換句話說，單個粒子的“屬性”并不是固定不變的，而是取決于整個實驗的“情境”——包括對其他粒子的觀測行為。這種“屬性依賴于情境”的特性，被物理學家們稱為“情境性”。

為了更直觀地理解情境性，我們可以舉一個經典的例子：假設我們要測量一個物體的重量，在經典世界中，無論我們是用彈簧秤測量，還是用電子秤測量，無論測量時周圍的溫度是高是低，這個物體的重量都是固定不變的——它的“重量屬性”是獨立于測量情境的。但在量子世界中，情況完全不同：一個量子粒子的“屬性”，比如自旋方向，會隨著測量情境的變化而變化。如果我們改變測量儀器的設置，或者改變對其他糾纏粒子的測量方式，得到的結果可能會完全不同。這意味著，量子粒子就像一個“不可靠的證人”，它給出的答案不僅取決于你問的問題（觀測方式），還取決于你問它的情境（整個實驗系統的狀態）。

在加拿大周邊理論物理研究所的安娜·貝倫·塞恩斯看來，情境性才是更根本的量子現象，而非局域性僅僅是情境性在多粒子系統中的一種表現形式。如果這一觀點成立，那么情境性就可能是我們一直在尋找的“量子核心密碼”。但要證實這一點，我們需要像貝爾為非局域性設計實驗驗證方案一樣，為情境性設計一套可驗證的實驗準則。具體來說，我們需要在兩個不同的情境下，對同一個量子系統進行相同的測量，然后比較測量結果——如果結果存在差異，就說明量子系統具有情境性；如果結果完全相同，就說明情境性不存在。

然而，設計這樣的實驗并不容易。最大的挑戰在于“實驗噪聲”——即使是最精密的實驗設備，也會存在微小的缺陷，這些缺陷會導致測量結果出現隨機誤差。我們如何區分測量結果的差異，是源于量子系統本身的情境性，還是源于實驗設備的噪聲？這一問題困擾了物理學家們多年。直到2016年，兩個來自不同國家的研究團隊——一個是奧地利因斯布魯克大學的團隊，另一個是美國國家標準與技術研究院的團隊，分別獨立設計出了能夠有效排除實驗噪聲的情境性驗證實驗。

這兩個團隊采用的實驗方案，都利用了量子比特系統（最簡單的量子系統），通過巧妙的實驗設計，將實驗噪聲的影響控制在可量化的范圍內。實驗結果表明，在排除了所有可觀測的實驗噪聲后，兩個不同情境下的測量結果仍然存在顯著差異——這一結果明確證明，量子世界中的物體確實具有情境性。“這些實驗是量子物理學史上的一個里程碑。”塞恩斯評價道。它們不僅證實了情境性的存在，也為我們理解量子屬性的本質提供了新的方向。

盡管情境性在量子世界中扮演著如此核心的角色，但在量子力學誕生后的近一個世紀里，它卻一直沒有得到應有的重視。這其中的原因是多方面的。首先，愛因斯坦等量子力學的先驅者，始終將目光聚焦于非局域性帶來的“超距作用”問題，而忽略了情境性的重要性——缺乏權威科學家的關注，使得情境性的研究長期處于邊緣狀態。其次，正如霍本所說：“這在很大程度上可以歸結為令人震驚的價值。”與非局域性直接挑戰“空間、時間、因果關系”等經典物理學的核心概念不同，情境性帶來的沖擊相對間接，因此在很長一段時間里，并沒有引起物理學家們的足夠重視。但隨著量子計算研究的深入，情境性的重要性逐漸凸顯，它的“邊緣地位”也即將被徹底改變。

2019年，曾被不少業內人士預測為“大規模量子計算機元年”——當時，谷歌、IBM、英特爾等科技巨頭和眾多初創企業，都在量子計算領域投入了巨額資金，展開了激烈的競爭。根據這些企業的預測，大規模量子計算機將利用量子力學的特性，完成許多傳統超級計算機無法完成的任務：從模擬復雜的量子化學反應，助力新藥物和新材料的研發，到優化全球物流網絡和交通系統，再到破解現有的加密體系。但量子計算機的核心優勢究竟來自哪里？這個問題，與“量子屬性的本質是什么”緊密相連，也成為了量子計算領域的核心謎題。

要理解量子計算的優勢，我們首先需要明確傳統經典計算機的工作原理。從本質上來說，計算機是一種操縱信息的設備——無論是計算、存儲還是通信，核心都是對信息的處理。在經典計算機中，信息的基本單位是“比特”，每一個比特只有兩種可能的狀態：0或1，分別對應晶體管的“關斷”和“通電”狀態。經典計算機通過將大量比特組合在一起，按照預設的邏輯規則進行運算，就能完成各種復雜的任務——從簡單的加減乘除，到模擬宇宙的演化。例如，一臺經典超級計算機要破解一個128位的加密密鑰，需要逐一嘗試所有可能的組合，其運算量會隨著密鑰長度的增加呈指數級增長，這在實際操作中是幾乎不可能完成的。

量子計算機的信息基本單位是“量子比特”，它的核心優勢就源于量子比特的量子特性。與經典比特只能處于0或1的確定狀態不同，量子比特的波函數可以處于0和1的“疊加態”——也就是說，一個量子比特可以同時表示0和1兩種狀態。基于這一特性，不少人對量子計算的優勢做出了簡單化的解讀：經典計算機一次只能處理一種狀態的信息，而量子計算機通過疊加態，可以同時處理所有可能的狀態信息。例如，一個2個量子比特的系統，可以同時表示4種狀態；一個10個量子比特的系統，可以同時表示1024種狀態；隨著量子比特數量的增加，量子計算機能夠同時處理的狀態數量會呈指數級增長。因此，量子計算機可以“并行處理”所有可能的解決方案，從而在處理某些問題時，展現出遠超經典計算機的速度優勢。

“如果事情這么簡單，量子算法的設計也會很容易。”美國約翰·霍普金斯大學的量子物理學家丹尼爾·霍華德直言，這種簡單化的解讀是完全錯誤的。事實上，量子計算機的疊加態并不能直接轉化為“并行處理優勢”——因為當我們對量子比特的狀態進行觀測時，波函數會瞬間坍縮，我們只能得到一個確定的結果，而不是所有疊加態的信息。要利用量子疊加態的優勢，需要設計復雜的量子算法，通過量子糾纏、量子干涉等多種量子效應的協同作用，將有用的信息“篩選”出來。這也是為什么量子算法的研發如此困難的原因。

“事實是，盡管量子計算具有革命性的潛力，但它的力量之源仍然籠罩在神秘之中。”霍華德補充道，“即使對專家來說，理解量子計算機‘實際在做什么’也是一個難題。”在量子計算領域，存在一個奇怪的現象：有些量子算法的優勢可以被明確驗證，但有些所謂的“量子算法”，其核心功能卻可以被經典計算機模擬。這意味著，僅僅利用疊加態、糾纏等量子現象，并不足以保證量子計算機的優勢——只有當量子系統具備某些特定的核心特性時，才能真正實現對經典計算機的超越。“令人擔憂的是，我們還沒有一種強有力的方法來確定一個量子系統必須具備哪些必要條件和充分條件，才能看到相對于經典計算的優勢。”悉尼大學的量子物理學家安吉拉·卡蘭杰說道。

就在量子計算的核心優勢陷入爭議之際，情境性的研究為我們提供了新的思路。2014年，霍華德和他的合作者在《自然·通訊》上發表了一篇里程碑式的論文，首次提出了“情境性是量子計算核心引擎”的假說。為了驗證這一假說，他們選擇了一類被稱為“穩定器電路”的簡單量子系統作為研究對象。

穩定器電路是量子計算中最基礎的電路模型之一，它的優點是結構簡單、易于分析，但缺點也很明顯——雖然它本質上是量子系統，但它的運算過程可以被經典計算機高效模擬。換句話說，穩定器電路不具備“通用量子計算”的能力，無法實現所有可能的量子算法，也無法展現出超越經典計算機的優勢。而霍華德的團隊通過理論分析發現，穩定器電路之所以能被經典計算機模擬，核心原因是它不具備情境性——它的量子比特狀態雖然具有疊加態和糾纏特性，但這些狀態并不依賴于觀測情境，因此可以用經典的數學模型進行描述。

在此基礎上，霍華德和他的同事進一步證明，如果對穩定器電路進行改進，賦予它產生情境性的能力——比如增加量子比特之間的非線性相互作用，或者引入更復雜的觀測情境，那么穩定器電路就會從“可經典模擬”轉變為“不可經典模擬”，從而具備通用量子計算的能力。“這一結果開辟了新的領域，并發現了量子計算機能力的一部分基礎。”霍本評價道。這一研究成果，將情境性與量子計算的核心優勢直接關聯起來，也為我們理解量子屬性的本質提供了新的視角。

那么，情境性是否就是量子計算加速的“秘密引擎”？對于這個問題，霍華德保持著謹慎的態度。他認為，目前量子計算的模型有很多種，不同模型的核心優勢可能存在差異，因此不能簡單地將情境性定義為所有量子計算優勢的來源。但不可否認的是，至少在部分量子計算模型中，情境性是實現量子優勢的必要條件。卡蘭杰和她的合作者最近的研究，進一步證實了這一點。他們通過理論計算發現，量子電路所展現出的情境性的數量，與經典計算機模擬該電路所需的內存空間呈正相關——情境性越強，經典計算機模擬所需的內存就越大；當情境性達到一定閾值時，經典計算機將無法提供足夠的內存進行模擬，而量子計算機則可以輕松處理。“這些結果告訴人們，建造量子計算機要使用顯示情境性的系統來構建它，因為這些系統可以提供更多的計算能力。”卡蘭杰說道。

情境性的重要性，遠不止于量子計算領域。更重要的是，它為我們劃分量子世界與經典世界的界限，提供了一個明確的標準。自量子力學誕生以來，“量子世界和經典世界的邊界在哪里”就一直是物理學家們爭論不休的問題。薛定諤曾認為，糾纏是區分量子世界和經典世界的關鍵——這種顛覆經典直覺的現象，足以說明它屬于量子世界的范疇。但這種劃分標準并不嚴謹，因為糾纏只是量子現象的一種，無法涵蓋所有的量子特性。而霍華德、卡蘭杰等人的研究表明，情境性可能是一個更嚴格、更普適的劃分標準。

按照這一標準，量子物理學的核心并非由一系列零散的、違背經典直覺的現象（如疊加態、糾纏、隧穿等）組成，而是一種基于“情境性”的計算理論——量子世界的所有特性，其本質都是情境性的不同表現形式；而量子計算的優勢，也正是源于情境性帶來的信息處理能力的提升。這一觀點徹底改變了我們對量子力學的認知：量子力學不再是一套“怪誕的理論”，而是一套更普適的信息處理理論，經典物理學只是量子物理學在“情境性可忽略”的宏觀世界中的近似。

如果這一觀點成立，那么當前全球范圍內的大規模量子計算機競賽，其意義將遠超技術層面的突破。它不僅是為了研發一種更強大的計算設備，更是為了通過實驗驗證“情境性是量子屬性的本質”這一核心假說。一旦我們通過量子計算的研究，徹底證實情境性的核心地位，那么我們將最終揭開量子世界的神秘面紗，完成量子力學與經典物理學的統一，為后續的量子科技發展奠定堅實的理論基礎。