序曲

    亲爱的读者朋友们：

    大家好！

    很荣幸能够通过《量子帝国》这部科幻著作与大家相识，在写本书之前，我觉得很有必要跟大家探索一个与本书相关的物理问题——量子边界概念的本质。

    或许有人认为，这是我虚构的一个虚拟概念问题，其实不然，量子边界是一个在量子力学领域中备受关注和探讨的现实概念，它涉及到量子世界与经典世界之间的界限划分以及两者之间的过渡和区别。

    在量子力学的发展过程中，哥本哈根学派首先提出了“量子-经典边界”的观点。他们认为观察者是经典的，而粒子是量子的，观察过程必然要跨越这个边界。例如，海森堡提出的“海森堡边界”，一边是遵循经典定律、没有叠加、干涉和不确定性的经典世界；另一边则是充满量子现象，如叠加、干涉等的量子世界。然而，海森堡对于这条边界的具体位置语焉不详，只是说其由所研究问题的性质决定，且过程中不应有不连续性，但这条线的位置有完全的自由度。

    玻尔也持有类似观点，他认为在经典边界上，量子理论的统计平均与经典理论的确定结果近似一致，但经典理论并非从量子理论中合理推论出来，而是独立存在的。在他看来，经典-量子边界在观察过程中起到迫使波函数坍缩的作用：波函数处于微观领域，而观察结果接收必然在宏观领域，对波函数的观察会使观察结果从量子的叠加态变为经典的概率态，即从“既此又彼”变为“非此即彼”。也就是说，玻尔认为坍缩过程（r过程）是独立于幺正演化过程（u过程）的演化规则，这种二元对立起源于量子-经典的二元对立。但玻尔同样未能明确指出量子-经典边界的具体位置，也没有说明 r过程是何时何地因何条件而触发的。

    随着科学研究的进展，人们在越来越大尺度的物体上观测到了量子现象。例如，双缝干涉实验已经做到了由 810个原子组成的巨大分子尺度，仍然发现量子现象的存在；利用约瑟夫森效应则在厘米级别的超导环上生动地显示了宏观量子力学效应；人类已经能够让裸眼可见的物体处于纠缠态。如 2011年，牛津大学的物理学家用激光脉冲在两块相距 15厘米、直径为 3毫米的金刚石晶体激发出了纠缠的量子振动；2018年，芬兰阿尔托大学的研究人员成功地将两个实验&硅芯片上装置的 15微米宽的金属铝片鼓面的运动转变成纠缠的量子态。这些实验结果使得人们有理由相信，宏观物体从根本上讲也是遵循量子规律的。

    冯·诺依曼则干脆假设不存在所谓的量子-经典边界，他认为量子力学不但对微观粒子有效，对宏观的测量仪器乃至于观察者同样有效，它们都是由量子力学描述的，并由此证明了测量的无限回归。他清楚地区分了两类根本不同的过程：过程 1是从纯量子态到混合态，其中包含某个初态投影为一组可能本征态之一的不连续、不可逆的变换，即波函数坍缩；过程 2是由薛定谔方程制约的量子态的连续、确定和可逆的演变。他以三个基本组成部分（i、ii、ⅲ）讨论了测量过程，其中部分 i是被观察的量子系统，ⅱ是物理测量器件，ⅲ是观察和记录测量结果的实际观察者。他证明，若一个量子系统处于测量器件的某个本征态，这个本征态与测量器件状态矢量之积应随时间依照既与量子力学运动方程一致、也与期望的测量概率一致的方式演变。也就是说，从数学上没有理由支持量子理论不能解释宏观测量器件行为，因此在 i加 ii的复合系统中也没有理由期望发现波函数坍缩。过程 2既适用于量子系统，也适用于测量系统。在这种情况下，可以把量子系统加上测量器件视为组成部分 i，把人的有关器官包括大脑在内的系统视为部分ⅱ。由于坚持还原论，冯·诺依曼发现这个过程属于无穷回归。

    退相干理论认为，能够以叠加态制备的量子系统相对简单，具有有限个自由度，而将测量结果的信息加以变换和放大的装置则很复杂，具有很多自由度。状态矢量与实验装置及其环境的相互作用提供了一种“量子审查”机制，导致叠加分量之间突然和不可逆的退耦或“退相”，结果毁掉了干涉相，因此不能观察到宏观物体的干涉。退相理论与经典热力学相联系，类似经典物理中的能量通过摩擦或阻尼效应的耗散。然而，退相干理论仍然无法消除叠加态，不能解决输出值问题，对于量子擦除实验和宏观物体展现出的量子行为（叠加态）无能为力。

    从另一个角度来看，叠加态或非叠加态可能源自看问题的不同角度，而非量子世界和经典世界的本质区别。根据量子力学原理，测量过程是一种相互作用，会改变测量对象和测量系统的量子态，测量结果（忽略测量精度）与观察者和观察方式密切相关，测量后被观测对象和测量系统的量子态会纠缠在一起。而按照经典理论，测量前后被观测对象均独立于测量系统，测量是对测量对象物理性质的如实描述，测量结果（忽略测量精度）与观察者和观察方式无关。无论何人、何时、何地，只要进行正确的观察，总能够获得一致的观察结果。如果在某种条件下量子力学测量结果与经典理论预测相同，则可以认为此时不存在量子经典边界；反之，如果结果不同，则可以认为存在量子经典边界。

    若将经典理论视为某种定域隐变量理论，那么讨论量子-经典边界问题将变得相对简单——量子-经典边界是否存在的问题转化为了量子理论和某种定域隐变量理论在哪些情况下预测相同或相异的问题。当被观测对象是测量系统的某个本征态或简并本征叠加态时（干涉条纹是非正交简并本征叠加态的产物，粒子则是正交简并本征叠加态的产物），量子力学测量结果和定域隐变量理论（经典波或粒子模型）预测的结果相同，此时可认为不存在量子-经典边界。另外，纯态量子系统（处于非简并本征叠加态）与混态量子系统统计指标相同，而对于混态量子系统可以像经典粒子系统那样采用统计力学来描述，比如描述费米子统计规律的费米狄拉克分布和描述玻色子统计规律的玻色爱因斯坦分布，都会随着温度提高或粒子数密度降低而自然地过渡到描述经典粒子的玻尔兹曼分布。当纯态量子系统与混态量子系统统计指标相同时，同样可以认为不存在量子-经典边界。

    关于量子边界的研究仍在继续，科学家们试图更深入地理解量子世界和经典世界的本质区别以及它们之间的过渡机制。例如，一些研究关注动态局域化现象，这是一种不太为人所知的量子行为，在这种现象中，尽管量子物体有稳定的能量供应，但它仍然保持着相同的温度，这违背了冷物体总会从热物体那里偷取热量的经典假设。美国马里兰大学联合量子研究所的研究团队通过研究分析数学模型，发现即使量子物体之间发生强烈的相互作用，动态局域化现象也有可能发生，当一种发生强烈相互作用的气体开始接近零点温度时，可能会出现“多体动态局域化”。

    在实验方面，研究人员不断尝试用质量越来越大的物体进行干涉实验。他们合成了由将近 2000个原子组成的大分子，并将其置于量子叠加态进行干涉实验。为了让分子保持波的状态，研究小组清理出狭窄通道，将管道放置在真空中，用弹簧和制动系统防止仪器抖动，还小心翼翼地控制分子速度以确保其温度不过热。最终他们合成了特定的大分子，其德布罗意波长比一个氢原子的直径还要小 1000倍，有着足够坚固的结构。实验中，分子吸收绿光能量后通过一系列间隔为几纳米宽的金属栅格，形成明暗相间的干涉图样，这在新的质量尺度上证实了量子现象。

    尽管取得了这些进展，但量子世界与经典世界的边界问题仍然没有一个明确的答案。不同的理论和实验都从不同角度提供了有价值的见解，但也都存在一些局限性和未解之谜。未来的研究可能需要结合更多的实验和理论方法，以及跨学科的合作，来进一步探索这个复杂而迷人的领域，以更全面地理解量子边界的本质和特性。这对于推动量子技术的发展以及深化我们对自然界基本规律的认识都具有重要意义。同时，也让我们更加期待在这个领域中会有更多新的发现和突破，帮助我们揭开量子世界的神秘面纱。

    跟随作者，让我们一起在这宏大的量子帝国世界尽情地遨游，感受虚拟假设与现实世界的斑斓交错，重回科学与幻想的巅峰…

    在这里，你将会与著名的冯诺依曼近在咫尺，与门捷列夫一起探索元素周期表的奥妙，与爱因斯坦探讨相对论的百年之谜…

    “欢迎收听由纪元新闻网发布的新闻联播，我是央视数字主持人晓菲，2013年，中国科学院在量子研究方面取得了重大突破——发现量子反常霍尔效应。

    该研究由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队，经过数年不懈探索和艰苦攻关，成功实现了“量子反常霍尔效应”。

    这一成果于2013年3月14日在《科学》（Science）上在线发表，清华大学和中国科学院物理所为共同第一作者单位。

    量子反常霍尔效应是一种全新的量子效应，其实现非常困难，需要精准的材料设计、制备与调控。1988年美国物理学家霍尔丹（F. Duncan M. Haldane）提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应，但多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。

    2010年，中科院物理所方忠、戴希带领的团队与张首晟教授等合作，从理论与材料设计上取得突破，他们提出Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓扑绝缘体中存在特殊的V. vleck铁磁交换机制，能形成稳定的铁磁绝缘体，是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。

    此后，中科院物理所何珂、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等组成的团队和清华大学物理系薛其坤、张首晟、王亚愚、陈曦、贾金锋等组成的团队合作攻关。他们克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了“量子反常霍尔效应”。

    量子反常霍尔效应的最美妙之处是不需要任何外加磁场就可以实现电子的量子霍尔态，这一发现有可能会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展，对信息技术的进步具有重要意义。例如，它可能解决手机或电脑发热、耗电快、运行慢等问题。

    这项成果是我国科学家长期积累、协同创新、集体攻关的成功典范，也标志着中国在量子反常霍尔效应研究领域达到了世界领先水平，除中国研究出的霍尔效应外，一些国家还研究了量子在诸多领域的其他效应，美国等一些国家的学者认为，量子边界存在着其他星系的高级文明！量子帝国时代即将开启！”

    ……

    下午7：00，量子AC研究所里，各类仪器规整的摆放在实验架子上，中央的墙壁上横悬着一块儿两米宽的黑科技液晶显示屏。

    科幻显示屏上正在播报一例名为《军方看点》的新闻联播节目这是一则由纪元新闻网首次联播的科学的预测类头条新闻…

    然而，也正是这样一则则富有科幻性的时报新闻的联播，推动了军方量子绝密计划的第一步，随着军方司长常靖川签署军方第二十七条绝密军令后，量子边界这一探索宇宙奥秘的天体科学组织就此实锤…

    军方探索外星文明的绝密计划—微量子智子计划秘密展开，冼云州和军方各部也将踏上寻觅地球科学者的艰辛之路…

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