1.3 计算机和力学
1.3.1 量子力学与现实生活有什么联系
在日常生活中，人们常用到的是牛顿经典力学。但是随着人类对世界认知的不断进步，发现用经典力学不能完美地解释许多问题。例如黑体辐射的问题，光干涉实验中的明暗纹；再如紫外灾难，卢瑟福原子模型对电子轨道的描述存在矛盾等。正是这些东西让人们逐渐地接近这一对人类来说完全陌生的领域。
总体来说，量子力学是一套希望能描述这个世界不论是微观还是宏观所有物理规律的理论。如今人类对量子理论的了解，除通过广义相对论描写的引力外，至今所有其他物理基本相互作用均可以在量子力学的框架内描写（量子场论）。
随着量子力学的完善，它在生活中的应用也越来越广。例如激光技术、电子显微镜、核技术，甚至会在不久的将来出现，以及现在已经取得一定进展的量子通信（绝对没有延迟的通信）、量子计算机（一个量子单位可以同时进行多种运算）等。
人类的眼光永远没有只着眼于现在，如果有朝一日人类将量子理论完善并应用于现实生活中，那么那个时代的人的生活将是我们今天的人完全无法想象的！可能就像古人与我们现代人的差距。
1.3.2 什么是量子力学
宏观世界的生活经验很多都是表象，例如你可能认为世界的运行是确定的、可预测的；一个物体不可能同时处于两个相互矛盾的状态。但是在微观世界中，这种表象被一种叫作量子力学的规律打破了。
量子力学指出，世界的运行并不确定，人们最多只能预测各种结果出现的概率，一个物体可以同时处于两个相互矛盾的状态中。量子计算是直接利用量子力学的现象（例如量子叠加态）操纵数据的过程。
1. 量子科技的基础是量子力学
量子力学是一个与牛顿力学等经典力学差异很大的物理学分支，由普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森伯、薛定谔等物理学家创立。它是迄今为止描述微观世界最准确的理论，也堪称世界上最难理解的科学理论。玻尔有句名言：“如果谁不对量子论感到困惑，他就没有理解这个理论。”物理学家费曼则说：“我想我可以很确定地说，没有人理解量子力学。”
自从量子力学的创始人玻尔（也可以算上普朗克、海森伯、薛定谔、波恩等）在20世纪初建立氢原子模型以来，量子力学经历了约100年的风风雨雨，不过量子力学的“黄金时期”是在1920年至1929年这10年，说量子力学的“圣地”应该是哥本哈根、哥廷根、慕尼黑，这三个地方被誉为“黄金三角”。
量子力学的基本方法是海森伯的矩阵力学和薛定谔的波动方程，他们看似不同，但都是从不同的角度阐述微观世界的基本规律，一个偏向于粒子的角度，一个偏向于波动的角度，最后被证实它们是等价的。也就是说，世界的本质是波粒二象性！
其次，量子力学的基本原理有三个：波恩的概率解释、海森伯的不确定关系、玻尔的互补原理。
前两个原理共同摧毁了自牛顿以来的因果观。也就是说，在量子力学看来，一个结果可以被不同的原因引起，同一个条件也可以引起不同的结果，只不过是概率不同。因此，你不能说因为这个所以那个，而只能说这个可能引起那个。
玻尔的互补原理说：世界本身是粒子和波的和谐统一。不能说电子“到底是粒子还是波？”只能问“我这样观测，粒子会显示波动性还是粒子性？”也就是说，电子是什么，取决于观测手段，在微观世界，不存在绝对的客观存在，只存在可观测的物理量。
2. 量子物理不同于经典物理的地方
下面是一些与你的问题不很相关，但也值得浏览一下的解说。
量子物理不同于经典物理的一个地方：量子物理认为量子系统在微观测之前可以处于客观的不确定状态（不是由于我们主观上尚不认识事物的那种主观不确定），观测可使量子系统“缩编”到某个确定的状态。
经典物理是没有“客观的不确定状态”一说的——它认为，即使人们不知道系统的确切状态，系统在客观上也是处于某个确定的状态。
这一重要区别，作者认为，更真实的量子系统一般总是处于多种状态共存的叠加状态（或说，多种状态都是潜在的、隐含的），一次测量，可使其中一种状态成为显现的状态……总之，多态叠加是量子力学的微妙的核心之一。
费曼说过：量子力学本身就是一个奥秘。其一是动量与波长关联，其二是振幅是复数。负动能意味着虚动量，这又使得描述实动量的振荡式的波动，变成了指数衰减函数，这意味着粒子可入负动能区，但概率要指数递减……这就是量子力学描述世界的方式，迥异于经典物理方式。
我们不能像经典物理要求的那样可以知道粒子在任意时刻的确切位置与速度，只能从波函数得知其位置与速度的概率分布，而这种概率分布也是一种规律。
经典物理认为，粒子与波动是两个层次的东西，根本不是一回事儿；而量子力学却认为两者是相伴相随、密不可分的一个整体，是一体的两面，没有谁产生谁的问题。
3. 造出量子计算机还需要目前不存在的物理学突破
在量子力学中，物质的状态虽然可以通过实验和计算确定，但是观察的结果却不是绝对的，每一次观察可能发现不同的结果。如果我们有能力复制很多个状态完全一致的物体，并对它们分别进行观测，如果都能得到相同结果，那么说明这个物体处在观测空间的某个本征态上。如果观测结果不同，那么说明该物体处在该空间一系列本征态的叠加状态上。
这些不同的结果，就是物质在一系列空间中本征态的叠加，称为叠加态。这种量子状态在宏观世界几乎是不可能观察到的，“薛定谔猫”这个思想实验可以帮助人们理解这种有点违反常识的现象。这个实验在后面有专门的章节解释。如同猫具有“又死又活”这个叠加态，在量子力学描述的世界中，虽然事件的因果是必然的，但是看到的结果却有可能是不同的。
量子力学描述了粒子的另外一种特性——自旋。这种特性无法用本征态表示，除了可以用0和1描述正向自旋和反向自旋之外，这两者之间还有多种不同的状态。最小单位称为量子比特。
如同电子计算机中的二进制位，量子比特是理论中量子计算机的计算基础。量子计算机对每一个叠加态分量实现的计算相当于进行一次传统的计算。所有这些传统计算同时完成并按一定的概率振幅叠加起来，即是量子计算机的输出结果。可以这么说：“不太准确的比方，传统电子计算机按时间顺序串行解决一个问题，理论上量子计算机就能解决同时并行2n个问题。”
量子计算机可以对叠加态进行运算，但是运算结果本身也是叠加态。只有针对特定的问题，才能用特定的算法从叠加的结果中抽离出需要的信息。而且，遵循不确定性原理，任何对量子叠加态的测量都会导致波函数的坍缩，一旦坍缩就会出现一个确定的状态，量子叠加态消失，所有在叠加态基础上进行的计算都将不复存在。
也就是说，造出量子计算机还需要目前不存在的物理学突破。有个流传甚广的说法：“造出量子计算机的成功率与造出反重力汽车差不多。”
但是，“目前不存在的物理学突破”已经出现了，这就是全新的计算理论的出现，且看1.3.3节介绍。
1.3.3 全新的计算理论诞生
全新的计算理论诞生源于传统计算机搞不定的事情。
2010年，美国麻省理工学院（MIT）的计算机科学家提出在量子光学系统中，进行“玻色采样”的任务，但这一任务传统计算机不可能完成。因此，人们开始构想使用量子实验装置进行量子物理实验的模拟。实验的成功催生了一种全新的计算理论。
由于量子科学实验的技术解释需要比较深厚的量子物理学知识，所以，这里暂且进行粗浅的解释。玻色采样，就是N个光子跑进实验装置中，又随机从其中N个出口跑出来的过程。用传统计算机解决这个量子问题，采样的时间会非常长。如果一共有N个光子参与实验，传统计算机的采样时间，就会是呈N2×2N的规律增加，比直接做玻色采样实验慢得多。如果量子光学实验设计得合理，肯定比传统计算机的速度快。所以，这个实验装置本身，可以称之为一种光量子计算机，而它“计算”的内容，正是对输出光子的分布进行采样。
如果光子的数量达到50个，在传统计算机看来，计算量就会增加到3×1018次。即使用目前的超级计算机，都不可能很快完成一次玻色采样，只能直接在装置上做实验。这就是一种“量子优越性”。
量子计算机的优势：当它有N量子比特时，由于状态相互叠加，它最多可以同时处理2N个状态。不过，需要处理的量子比特越多，制造难度就越大。