2022.07 量子退相干的简要解释

2019 年时，Google 在量子计算的研究上取得一定的进展，曾引起一些人的恐慌，是不是密码学要被破译了，区块链不再安全了。当时我写了一篇短文，来描述我所理解的量子抵抗能力（在不同情况下的安全程度），以及对应的一些具体的安全实践。

在那篇文章里，我提到了 量子退相干 (Quantum Decoherence) 是量子计算所尚未有效解决的重要问题，但并没有说清楚量子退相干是怎么影响量子计算的，以及它究竟是什么，在这里我们展开说明一下。

环境对量子计算的干扰

在进行量子计算的过程当中，如果发生了微小的外部扰动，就可能影响和改变正在计算中的量子比特的状态（用行话讲就是 “量子的相干性受到了干扰”），这样的话，得出的计算结果就会不正确。这种量子计算系统受到环境的影响，就是量子退相干的一种体现。所谓退相干 (De-coherence)，即为相干性的消退 (Quantum decoherence is the loss of quantum coherence)。

跟传统计算机相比，量子计算对这种来自环境的影响要敏感得多。周围的电磁场影响，环境温度影响，甚至是量子比特之间的相互影响，都会造成不同程度的干扰，从而使得被用来执行计算和存储任务的量子比特 “变脏”，造成存储的信息丢失。

降低这种影响的关键，在于有效地管理和降低退相干，从而使得量子相干性能够不受干扰地演化（undisturbed evolution of quantum coherences）。

怎么样保证量子计算的准确性呢？可以通过增加冗余计算的方式来提高容错性。比如对于乘法计算 9 * 9，使用不同方式计算1千次，如果其中绝大部分计算结果都是 81，我们就采纳这个结果。除了简单的冗余计算以外，还有一些高级的校验和矫正方法来确保准确性。

退相干的进一步解释

在上面的解释中，退相干被解释为一种宏观意义上比较笼统的 “退化” 作用。实际上，在量子力学中，量子退相干是一种有别于哥本哈根解释的，一般意义上被认为是逻辑更加严谨的解释。

在哥本哈根解释中，被波尔称作 “坍缩” (Collapse) 的过程，是一个瞬间发生的，先验的事件 (Event)。在双缝实验中，坍缩于光子撞墙的那一瞬间发生，转变为背景墙上的一个位置确定的亮点。爱因斯坦所说的 “上帝不掷骰子” 就是针对这个 没有被确切地解释清楚的坍缩过程。在坍缩过程中，原本光子有无数多个可能的位置，必须在那一瞬间就丢弃干净，只剩下一个唯一的测量结果，就好像掷骰子那样。

我们回过头来，仍以 “双缝实验” 为例，进一步说明退相干是如何解释这个现象的。

一句话，相干性仍然存在，只是被稀释了（Again, Quantum decoherence is the loss of quantum coherence）。

（以下引用部分摘自王孟源老师的 “量子去相干详解” 一问）

（先看现象）

在双缝实验中，被测量粒子是单个入射光子；“测量仪器”则是那面墙，测量的物理量是光子的位置。光子经过双缝的时侯，走A路和走B路的波函数是叠加的，这时A和B就是所谓的“相干”。这和古典粒子随机决定走A路和走B路不同，因为古典随机现象叠加的是机率密度，而量子现象叠加的是波函数。因为在隙缝处两个波函数叠加，所以从隙缝到墙之间，经过薛定谔方程的演化，在墙上的波函数分布仍然同时有A和B的贡献，于是产生了复杂的条纹，这叫做“干涉”。讨论到目前为止，都属于标准量子力学的范畴，可以用实验证明，没有任何争议。

（再看解释）

量子去相干则不一样。它说整个宇宙只有一个波函数，包含了每个粒子。相互之间没有作用的粒子，原本的多变数波函数可以Degenerate，分解成为个别粒子的波函数的简单乘积，所以光子的飞行过程，可以看作是单粒子波函数的演化。但是光子撞墙，就是它和墙内部的极大数量饱含热噪音的原子有了作用，这个过程绝对不能看作是单粒子波函数的自行演化，而必须是“光子+墙”（也就是”被测量粒子+测量仪器“）这个宏观系统的波函数的共同演化。而且因为墙处于凝态，每个原子的位置都是固定的，没有任何不同可能位置之间的不确定性和相干性，一旦光子和它作用，形成完美的纠缠，就以大欺小，把光子不同位置之间原本的相干性用巨量的原子稀释掉了（到非常接近于零，但不是数学上的零，只是物理上的零，亦即无法用实验与真零分辨出来）。这个过程叫做“去相干”；它不是什么神秘的新机制，而仍然遵守着薛丁格方程，只不过因为是数量极大的多体问题，所以不能有确解。这个过程的结果，不是一个纯态，而是”被测量粒子+测量仪器“之间的纠缠态。

Einstein所说的“上帝不掷骰子”，指的是Copenhagen解释里，塌缩的过程中，原本光子有无限多个可能的位置，必须一瞬间丢弃近净，新的波函数里只剩下一个单一的测量结果，就像掷骰子一样。相对的，量子去相干解释里，原本光子的所有不同可能位置，仍然被包含在新的波函数里，并没有被舍弃；但是波函数已经不再能被视为个别粒子的波函数的简单乘积，而是一个宏观系统的波函数，所以不确定性仍然在，只是相干性被稀释光了。换句话说，新的波函数仍然包含着所有光子原本所有可能的位置a，b，c，d，e…，但是它们之间没有相干性，所以波函数在向量空间的表象里，出现了另一个与前不同的简化，是波函数分解成对应a，b，c，d，e…等等可能性的OR和（即只有一个能留存，量子力学里面叫做”Mixed States“），不论现实走上哪一条路，新波函数的演化都好像只对应着一个单一的测量结果。

正如王孟源老师所说，“量子去相干不但没有任何定义上的困难，而且逻辑严谨自洽，推演过程自然，应用在没有人类的宇宙中，也完全没有问题”。

结语

从王孟源老师对量子去相干的解释中，我对量子理论有了更进一步的理解，所谓的观察者与坍缩，不再建立在一个神奇的魔法般的孤立事件之上。宏观系统上的可被观测到的现象，可以看作是所有粒子经由他们在某种意义上共有的波函数所共同演化的结果。籍此，我们很容易获得一个一致，完整而超然的视角，去看待那些曾被认为是存在于 “独立系统” 中的所谓 “孤立事件”。

参考

(全文完)