No017 专题:探索量子计算机的真实形象

编号017

专题:探索量子计算机的现实

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量子之谜“不要问接下来会发生什么”

量子之谜“不要问接下来会发生什么”

TM──您专注于量子研究吗?

西森──事实并非如此。从大学时代起,我的研究主题就是统计力学。毫不夸张地说,我一直致力于此。

TM──统计力学是一门什么样的研究?

西森──当您越来越详细地观察事物时会发生什么?首先,它变成由原子组成的分子。在原子内部,电子绕着原子核飞行。如果我们进一步分解原子核的结构,它就会变成中子和质子……如果我们越来越详细地观察它,我们最终将得出物体是由什么构成的基本问题。

TM──这就是所谓的基本粒子理论。

西森──是的。然而,在统计力学中,我们考虑相反的情况。简而言之,当许多事物聚集在一起并变大时,在小单位中看不到的现象就会变得可见。如果我们以熟悉的水为例,水中就有H2O分子有很多。如果在室温下,它会变成液体,但如果温度低于0°C,它会变成固体冰。相反,如果在1个大气压下将温度提高到100摄氏度,它就会变成水蒸气。两者都是分子 H2它仍然是O的集合。

TM──这称为相变。当然是同一个H2虽然它是O的集合,但当它从固相变为液相再变为气相时,它看起来却截然不同。

西森──相变是一种仅因分子较多而发生的现象。统计力学旨在阐明此类现象发生的原因以及起作用的机制。其本质是 PW安德森因这一领域获得 1977 年诺贝尔物理学奖,他说:“更多就是不同*4''这些词抓住了统计力学的本质。

TM──统计力学研究的重点是相变这一宏观现象,它与研究微观世界的量子力学有何联系?

西森──当我研究一种称为自旋玻璃的材料有关相变的特性时,我想到了通过应用量子力学的概念可能会更容易理解它。

TM──什么是旋转玻璃?

西森──让我们以玻璃为例。玻璃是SiO2的分子组成。然而,与原子和分子规则排列的正常晶态不同,玻璃中的分子是随机排列的,没有任何规律性。虽然它的外表看起来像固体,但内部却是类似液体的状态,但它并不像液体那样具有流动性。这种状态可以称为“冻结”。自旋玻璃是一种材料,其中称为自旋的小磁体像玻璃一样随机冻结。

TM──自旋是电子的旋转,对吧?

西森──自旋就像电磁铁一样,由于电子的旋转而变得有磁性。这个自旋是 SiO2像分子一样冻结在随机状态。这就是为什么它被称为旋转玻璃。在研究这种现象发生的机制时,我想到了通过应用量子力学“涨落”的概念,我们可以找到能量最低的稳定状态。 1998 年发表的一篇论文以“量子退火”为题总结了研究成果。

TM──我听说,当你观察量子世界时,现实并不是很清楚。

西森──说实话,我也不太明白。虽然物理学经常被误解,但它并不是一门研究“为什么”的研究。量子力学构建了一种基于接受给定量子行为的理论。不要问物理学家:“为什么会发生这种情况?” (笑)

[脚注]

*4
更多不同:质量随着数量的增加(随着层次的上升)而变化的想法是作为一种与简单的元素还原理论相对立的自然观而提出的。
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