薛定谔猫的生与死，以及它有什么用

合集 · 解读科技问题 (79)

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在《世界科学》杂志2025年第6期中，有两篇主题文章介绍了量子领域的两个重要研究方向，一篇叫《量子世界究竟在哪里结束，具体的现实从哪里开始？》，一篇叫《全尺寸量子计算机究竟有什么用？》。一眼就可以看出，前者主要谈的是理论，后者主要谈的是应用。然而更仔细的观察，可以发现两者谈的都是薛定谔的猫：前者谈的是薛定谔猫的生死，后者谈的是薛定谔猫的用处。
薛定谔的猫，可能是最为公众熟知的量子力学概念之一，——可能还可以把“之一”去掉。薛定谔（Erwin Schrödinger，1887 - 1961）是量子力学的创始人之一（这个“之一”肯定不能去掉），他在1935年提出了这个思想实验：把一只猫、一个放射性原子和一瓶毒药一起放在一个房间里，在一定的时间内，这个放射性原子有一半的概率衰变，一半的概率不衰变。如果放射性原子衰变了，毒药就释放出来，将猫毒死（动物保护协会发来抗议！）。如果不衰变，猫就活着。
那么在你没有打开房间观察的时候，你该怎么描述猫的状态？你只能说，猫处在一半死一半活的叠加态。但这样的状态我们从未观察到，甚至都难以想象这样的状态。因此，薛定谔的猫对量子力学是个严重的挑战，至少对它的实在性或完备性是个严重的挑战。
然而仔细想想，薛定谔的猫之所以难以想象，究竟是因为什么？难道不是因为猫太大了吗？如果把猫换成原子或者分子或者光子或者其他的微观体系，我们就不会觉得有任何奇怪的了，因为这样的状态我们经常见到，也经常用到，——至少对于学过量子力学的人是如此。事实上，微观体系的薛定谔猫态早已大量地制备出来，并一再被证实它们确实具有量子体系的那些奇妙性质。
因此，就出现了一个逻辑问题：这一切究竟有没有个极限？是否存在一条边界，比这个小的是量子世界，比这个大的是经典世界？量子世界就是允许薛定谔猫态出现的世界，经典世界就是不允许薛定谔猫态出现的世界。或者开玩笑地说，量子世界就是允许薛定谔猫（态）活着的世界，经典世界就是薛定谔猫（态）必然死亡的世界。
其实在很多人看来，并不存在这样的边界，因为量子力学的理论形式是完全普适的，原则上它适用于所有的体系，无论大小。但也一直有人在探讨，如果存在这样的边界会怎么样，如何找到这样的边界。
在这当中特别有趣的一类，叫做自发塌缩理论。量子力学的标准理论认为，一个量子体系的状态是用波函数来表示的，而每当对某个物理量观测时，会强迫这个波函数塌缩成某个随机的可能结果之一，同时获得这个物理量的一个随机的观测值。波函数塌缩是量子力学中最大的神秘之一，由此还带来一些神秘问题，如究竟什么叫做观测。
而自发塌缩理论认为，没有观测的时候，波函数也会自发地以一定概率塌缩。假如这个理论是正确的，就可以自动解决量子力学中的很多困难。本期杂志第一篇主题文章中提到的吉拉尔迪-里米尼-韦伯模型（GRW模型），就是一种代表性的自发塌缩理论。整体上，这篇文章讲的就是在寻找经典与量子分界线方面最新的一些实验工作，或者更准确地说，为实验做的一些准备。目前这类实验还从来没有得到特别的结果，但假如有朝一日得到了，那将无疑开启一场新的科学革命。
关于薛定谔猫，还有一大问题，就是它有什么用。量子计算是目前所有科学领域中最热的之一，因为几乎所有人都听说了，量子计算的应用前景十分巨大。而对量子计算有了解的人会知道，量子计算机能超越经典计算机的关键，就是要用到量子纠缠，也就是薛定谔猫态。假如一台量子计算机没有用到量子纠缠，那它其实是毫无意义的。
但在量子计算吸引了巨大的关注和资金的背景下，一个有点令人尴尬的问题是：它究竟能用来干什么？其实每次记者采访我这个问题，我都会说出很多，如密码破解、数据库搜索、天气预报、交通规划……但需要注意的是，所有这些都是远景，而不是近景，更不是已经实现的。
为什么会这样？一方面，当然是因为量子计算机的硬件还太弱了：量子比特的数量还不够，量子操作的保真度还不够高，或者说太容易出错。这是非常容易理解的。但另一方面，只有内行才知道的是，量子计算机的软件也还远远不够。
公众往往以为，量子计算机无论干什么事情都比经典计算机快。但这其实是个巨大的误解，量子计算机要发挥优势，必须针对特定问题设计特定算法。对于有这样算法的问题，量子计算机才能超越经典计算机。也就是说，量子计算机只是在一些问题上比经典计算机快，这些问题是需要寻找的。
而目前，我们找到的、有严格数学证明的量子计算机有优势的问题，其实是屈指可数的。如何寻找更多的能发挥量子计算优势的问题，就是第二篇主题文章的内容。所以当我们从哲学层面思考薛定谔猫的生死之后，我们还需要面对现实问题：薛定谔猫有什么用？