55、量子计算：原理与应用探索

量子计算：原理与应用探索

1. 量子世界初探

量子物理学的一些重要特性可以通过马赫 - 曾德尔干涉仪这一简单实验装置来解释。该装置由相干光源（如激光）、两个分束器（如半镀银镜）和两个探测器组成。

• 实验现象 ：光源发出的光束经第一个分束器分成两束，再经反射到第二个分束器，最后到达两个探测器。正常情况下，人们可能认为两个探测器都会检测到光，但如果各组件位置精确，只有探测器 D1 能记录到光，且若分束器和镜子不吸收光，到达 D1 的光强与光源处相同。
• 原理分析 ：光作为一种特殊的电磁波，M0→BS2 和 M1→BS2 的两束光在 BS2 分束器处各自分成 BS2→D0 和 BS2→D1 两束。其中，BS2→D1 的两束光相位相同，相互叠加；而 BS2→D0 的两束光相位相反，相互抵消，这分别被称为正干涉和负干涉。

当逐渐降低光源发出光的强度时，如果光只是波，D1 处检测到的光强应逐渐减小。但实际情况是，若探测器足够灵敏，它不会记录到光强的持续减小，而是记录到脉冲，且脉冲频率随发射光强度的降低而降低。这表明光由量子组成，即光子，每个波长对应唯一的量子，光子的能量由波长决定（成反比）。

这体现了光的波粒二象性。我们既可以用波来解释光，也可以用粒子的运动学来解释，但对于兼具两者特征的现象，就需要新的理论。例如，当光源向干涉仪发射单个粒子时，按照经典概念，粒子必须选择通过干涉仪的路径。我们可以通过在两个镜子位置（或两条路径上的任意位置）临时放置两个探测器来验证，结果总是只有一个探测器记录到光子，这表明粒子没有分裂成两个。但如果只有一个粒子到达第二个