量子粒子到底在做什么？

本侧栏是一揽子补充我们发表在《大众科学》五月刊上的关于量子擦除的故事的一部分

精明的读者可能已经注意到，在主要文章中，我们煞费苦心地——并且有点偷偷地——避免说相互干涉的量子粒子实际上同时在两个位置（使用了诸如“似乎”和“好像”之类的短语）。使用这种听起来像法律术语的措辞的原因是我们根本不知道粒子“真正”做了什么。

如果我们测量粒子走了两条路径中的哪一条，我们只会测量到它精确地走了一条路径。但是，当我们不进行这样的测量，并因此最终得到干涉图案时，我们应该如何解释这种情况？经典的波只有在两个方向都有波的情况下才能产生干涉。那么这是否意味着粒子真的走了两条路？量子理论没有告诉我们。

在某些方面，量子力学的描述与经典干涉波的描述非常相似。粒子在数学上用一种特殊的量子波来描述，称为波函数。当发生干涉时，每个粒子的波函数都包含与粒子走每条路径的部分相对应的部分，很像经典干涉波具有两个方向的部分。不幸的是，在埃尔温·薛定谔提出波函数的概念八十年后，物理学家们仍然对它所描述的物理现实的本质存在分歧。

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物理学家完全同意如何使用波函数来预测测量结果，有时具有非凡的精度和准确性。但是，在测量之前，应该如何解释波函数的物理含义仍然不确定——甚至存在争议——并且很可能永远如此。如果波函数将粒子描述为处于两条路径的叠加态，这是否意味着粒子“真的”走了两条路？没人知道。

例如，根据量子力学的所谓哥本哈根解释，人们根本不允许询问在没有进行测量的情况下发生了什么。在“多世界”解释中，粒子确实走了两条路。更重要的是，即使我们测量到它走了一条特定的路径，它仍然走了两条路——实际上，宇宙分叉了，在我们的分支中，粒子走了一条路，而在另一个分支（其中有我们完全相同的副本）中，它走了另一条路。而在玻姆-德布罗意“导波”解释中，存在一个量子波，它确实走了两条路径，但干涉粒子更像是那个波浪上的冲浪者，选择了一条特定的（但未知的）通过狭缝的路径。

请注意，尽管对“幕后”发生的事情有不同的模型，但所有这些解释对实际测量的结果都做出了完全相同的预测。换句话说，没有实验方法来区分它们，因此无法宣布一种解释是“正确的”。

也许正是由于所有这些解释中令人不安的特征，著名物理学家理查德·费曼将双缝实验描述为量子力学的真正谜团。

奇怪的是，在量子计算的新领域中，量子物理学家似乎不太犹豫地声称量子比特（量子位）同时处于“0”和“1”的状态。这种说法完全等同于说一个粒子同时穿过一个狭缝和另一个狭缝。