量子理論是20世紀(jì)科學(xué)進(jìn)步的一個(gè)偉大的里程碑。它的創(chuàng)立和發(fā)展不僅導(dǎo)致了原子能、激光和半導(dǎo)體等重大技術(shù)發(fā)明，創(chuàng)造了人類(lèi)的物質(zhì)文明，而且使得人們對(duì)微觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律有了基本正確的、革命性的理解。然而，自量子力學(xué)誕生以來(lái)，以量子測(cè)量問(wèn)題為核心，關(guān)于量子力學(xué)的思想基礎(chǔ)和基本問(wèn)題的爭(zhēng)論，從來(lái)就沒(méi)有停止過(guò)。近年來(lái)，伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，過(guò)去僅限于哲學(xué)思辨式探討的量子論基本問(wèn)題，己經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室里加以精確的檢驗(yàn)。特別是，最近由于量子信息的發(fā)展，量子測(cè)量等基本問(wèn)題的研究進(jìn)一步得到了廣泛的重視。

        根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)展的摩爾定律，中心處理器的運(yùn)行速度每18個(gè)月就會(huì)提高一倍，相應(yīng)地，芯片上晶體管集成的數(shù)目隨時(shí)間呈e指數(shù)增長(zhǎng)。這預(yù)示著計(jì)算機(jī)芯片元件不久將會(huì)達(dá)到它的極限尺度，突破芯片元件尺度的極限是當(dāng)前信息科學(xué)所面臨的一個(gè)重大科學(xué)問(wèn)題。從物理學(xué)角度看，信息的載體必定是一些特定的物理系統(tǒng)，信息的傳遞和處理必定是某種物理過(guò)程。隨著物理的存儲(chǔ)單元會(huì)變得越來(lái)越?。ㄉ踔磷兂蓡蝹€(gè)原子），量子效應(yīng)會(huì)越來(lái)越明顯地凸現(xiàn)出來(lái)，基本量予特性——量子相干性會(huì)在信息的存儲(chǔ)、傳遞和處理過(guò)程中起著核心的作用。

        量子信息的研究是以量子力學(xué)原理為基礎(chǔ)、充分利用量子相干性的獨(dú)特性質(zhì)（量子并行、量子糾纏和量子不可克隆），探索以全新的方式進(jìn)行計(jì)算、編碼和信息傳輸?shù)目赡苄?，為突破芯片極限提供新概念、新思路和新途徑。從本質(zhì)上講，量子信息的關(guān)鍵，是直接利用量子相干性的物理觀念以及由此引起的量子效應(yīng)，而不只是利用量子力學(xué)的物化產(chǎn)品（如半導(dǎo)體器件）。量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)源于量子相干性導(dǎo)致的量子并行，量子通信則依賴于多粒子相干疊加代表的量子糾纏，而量子密碼則直接源于量子測(cè)量導(dǎo)致的波包坍縮。

        總之，量子力學(xué)與信息科學(xué)結(jié)合，充分顯示了學(xué)科交叉的重要性。但是，雖然量子信息的研究已經(jīng)取得日新月異、令人嘆為觀止的進(jìn)步，但最終要實(shí)現(xiàn)有實(shí)用價(jià)值的最子計(jì)算、量子通信和量子密碼，不僅在實(shí)用化中存在著相當(dāng)大的困難，而且有的困難甚至是原理性的。從一般原則上講，這些困難的根源正是量子力學(xué)的測(cè)量問(wèn)題。

        事實(shí)上，量子力學(xué)所展示的微觀世界圖景，完全不同于經(jīng)典物理“精確描述”的物質(zhì)世界，通過(guò)測(cè)量從微觀世界提取經(jīng)典觀察者可以感知的信息，看上去更是令人捉摸不定。正是在經(jīng)典與量子的交匯處，量子力學(xué)測(cè)量問(wèn)題被很自然地提了出來(lái)：

        （1）為什么量子測(cè)量會(huì)引起被測(cè)量子系統(tǒng)不可逆的改變一一波包擁縮（或稱(chēng)量子退相干，decoherence）？

        （2）能否避免和有效地控制量子退相干，使得人們能夠從微觀系統(tǒng)的量子態(tài)讀出有效的“信息”？

        （3）量子測(cè)量是否意味著人們對(duì)微觀世界的“主觀介入”？

        為了明晰上述量子力學(xué)測(cè)量問(wèn)題的基本含義，首先要了解什么是量子相干性。量子力學(xué)告訴我們，微觀世界不同于經(jīng)典世界的根源在于它具有量子相干性，波粒二象性是其直接體現(xiàn)。在經(jīng)典物理中，坐標(biāo)和速度能夠給出粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的正確刻畫(huà)，但在量子力學(xué)中，由于波粒二象性，動(dòng)量和坐標(biāo)不能被同時(shí)測(cè)準(zhǔn)，從而使得微觀粒子的經(jīng)典描述失敗。正是源于這一點(diǎn)，愛(ài)因斯坦和玻爾在1927年的Solvay會(huì)議上的學(xué)術(shù)論戰(zhàn)，引發(fā)后來(lái)的一系列關(guān)于量子力學(xué)基本問(wèn)題的深入討論。

        對(duì)于量子測(cè)量引起的不可逆改變，至今最恰當(dāng)?shù)慕忉屖强紤]量子世界的互補(bǔ)性（complementarity）：物質(zhì)運(yùn)動(dòng)具有粒子和波的雙重屬性，但在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中二者是相互排斥的。例如，在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量粒子通過(guò)了哪一個(gè)縫，等于強(qiáng)調(diào)了波粒二象性的粒子方面，與粒子性互補(bǔ)的波動(dòng)性便被排斥了，干涉條紋便不再存在了。這種由于測(cè)量或其他影響導(dǎo)致相干性消失的現(xiàn)象稱(chēng)為量子退相干：就量子測(cè)量而言，人們稱(chēng)之為波包坍縮。海森堡的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系表明，通過(guò)具有“粒子特征”的測(cè)量（如同時(shí)測(cè)量動(dòng)量和坐標(biāo)），去描述具有“波粒二象性”的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)帶來(lái)測(cè)量的不確定性，引起被量子退相干。但最近德國(guó)Rampe小組的冷原子布拉格散射實(shí)驗(yàn)表明，測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系不是退相干的唯一起因，通過(guò)相互作用，測(cè)量?jī)x器和被測(cè)系統(tǒng)形成的量子糾纏態(tài)（entangled state）才是問(wèn)題的關(guān)鍵。

        量子相干性及其量子測(cè)量的特別之處，在于它們描述的波包坍縮是整體的。例如，一個(gè)粒子在t=0時(shí)刻處在一個(gè)局域的空間點(diǎn)A上，在t=T，測(cè)量其動(dòng)量得到確定的動(dòng)量，則波包坍縮為平面波，其空間分布在時(shí)刻T以后是均勻的，不再定域：在過(guò)A點(diǎn)的光錐之外的B點(diǎn)，也有可能發(fā)現(xiàn)粒子，即使A和B兩點(diǎn)是類(lèi)空的。要指出的是，這種波包坍縮現(xiàn)象只意味著“概率意義”的超光速：T時(shí)刻測(cè)量粒子動(dòng)量，會(huì)導(dǎo)致體系以一定幾率（通常很小很?。俺馑佟钡靥s到動(dòng)量本征態(tài)上。波粒二象性的觀念或幾率解釋是這種佯謬出現(xiàn)的本質(zhì)。事實(shí)上，單一測(cè)量并不能確定地在B點(diǎn)發(fā)現(xiàn)粒子，“事件”A和B的聯(lián)系只是概率性的，并不破壞的因果關(guān)系。近期，有不少“概率意義”下的超光速的報(bào)道，在非專(zhuān)業(yè)的范圍內(nèi)引起一些誤解，其根源在于對(duì)量子測(cè)量本身的誤解。

        對(duì)于多粒子或多分量系統(tǒng)，量子相干性及其測(cè)量涉及“薛定諤貓”佯謬和EPR問(wèn)題的探討，其發(fā)展導(dǎo)致了量子糾纏態(tài)的觀念產(chǎn)生和應(yīng)用。量子糾纏態(tài)是多粒子或多分量系統(tǒng)的非平凡的相干疊加（不能夠分解為單個(gè)相干疊加態(tài)的直積）。玻姆給出了EPR量子糾纏態(tài)的直觀例子：

        其中，|+z>和|-z>是雙電子體系的自旋單態(tài)，z代表自旋的軸，±代表設(shè)z軸的方向。當(dāng)?shù)诙€(gè)電子被發(fā)現(xiàn)在沿+z方向，整個(gè)波函數(shù)被現(xiàn)縮到態(tài)|+z，-z>上。這時(shí)再測(cè)量第二個(gè)電子，必得到確定的結(jié)果——自旋沿z軸向下。即使是兩個(gè)粒子分開(kāi)得很遠(yuǎn)，這種關(guān)聯(lián)仍然是存在的。這種情況看上去與經(jīng)典情況相似：在放了一個(gè)白球和一個(gè)黑球黑盒子里，伸手拿到了一只黑球，就可以斷定留在盒子里一定是白球。然而，量子情況并非如此簡(jiǎn)單，|EPR>同樣也可以描述沿x方向自旋Sz的關(guān)聯(lián)，或沿任意方向n自旋的關(guān)聯(lián)Sn。這種用一個(gè)態(tài)描述不同方向自旋關(guān)聯(lián)的奇妙特性，是量子糾纏的本質(zhì)。

        要指出的是，直接利用這種量子糾纏是不能傳遞經(jīng)典信息的。因?yàn)樗淼年P(guān)聯(lián)是依賴于選擇的測(cè)量，測(cè)Sz，Sx還是Sn。然而，Bennet等指出，利用糾纏態(tài)，通過(guò)在經(jīng)典信道中送2個(gè)比特的信息破壞空間某點(diǎn)的量子態(tài)，可以在空間不同點(diǎn)制備出相闊的量子態(tài)。目前世界上已有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)組完成了這種量子離物傳態(tài)（quantum teleportation）實(shí)驗(yàn)。以上分析表明，微觀信息與經(jīng)典信息有著本質(zhì)的不同，任何一種經(jīng)典方式都不會(huì)恰如其分地描述微觀信息的全部特性。量子力學(xué)測(cè)量的問(wèn)題和困難均源于此，這也許是量子力學(xué)互補(bǔ)原理更深刻的體現(xiàn)。

        量子力學(xué)測(cè)量問(wèn)題的困難，在量子信息方面的體現(xiàn)是量子退相干問(wèn)題。在量子信息中，經(jīng)典信息數(shù)據(jù)位狀態(tài)。和1變成了量子態(tài)|0>和|1>。|0>和|1>及其相干疊加態(tài)|S>=a|0>+b|1>（a和b是復(fù)數(shù)）。一起描述了的量子信息存儲(chǔ)單元——量子位或量子比特。由于幺正變換可以同時(shí)作用于|0>和|1>，量子信息具有極大的并行性?；谶@一點(diǎn)，1994年，Shor P巧妙地利用了量子測(cè)量，提出了大數(shù)因子化的有效算法，使得以此為基礎(chǔ)公開(kāi)秘鑰保密體系（RAS）遭到了原理上的威脅。從此，量子計(jì)算引起了學(xué)術(shù)界、工商界及至各國(guó)政府對(duì)量子信息研究的重視，掀起了目前的研究熱潮。

        然而，圍繞著微觀粒子的量子相干性，量子測(cè)量是最子信息研究的“雙刃劍”。一方面，充分地利用量子相干性及其量子測(cè)量，量子信息具有經(jīng)典信息無(wú)法比擬的威力；另一方面，量子信息之所以可以成為信息，必須在它與經(jīng)典世界銜接起來(lái)、被生活在經(jīng)典世界中的人所感知，才有意義。然而，量子信息的提取本質(zhì)上是一種量子測(cè)量。一旦進(jìn)行有效的量子測(cè)量，從量子信息給出確切的經(jīng)典預(yù)言，相干性就會(huì)被破壞。事實(shí)上，量子信息研究的重要任務(wù)之一，就是協(xié)調(diào)“雙刃劍”帶來(lái)的得失比例，產(chǎn)生一個(gè)正的信息凈量。克服這個(gè)兩難性矛盾的方法有二：一是大量復(fù)制原來(lái)的量子態(tài)，這被“量子不可克隆定理”（相干性的直接推論）所禁戒：二是制備宏觀物體的量子相干態(tài)，這里存在“薛定諤貓”問(wèn)題。要指出的是，對(duì)于后者，人們已完成了一些實(shí)驗(yàn)，在極特殊條件下制備了“薛定諤貓”，但目前尚未直接應(yīng)用到量子信息。

        事實(shí)上，客觀存在的環(huán)境也相當(dāng)于一種廣義的測(cè)量?jī)x器，它會(huì)對(duì)量子態(tài)產(chǎn)生致命的、不可逆的影響，破壞量子相干性。量子比特會(huì)從具有相干性的量子態(tài)變成不具有相干性或相干性大量減少的經(jīng)典、半經(jīng)典狀態(tài)，大大降低以后量子信息處理的效率。對(duì)于微觀的量子態(tài)，環(huán)境的影響是不可忽略的。例如，對(duì)于二能原子系統(tǒng)構(gòu)成量子比特，真空背景的電磁場(chǎng)是無(wú)處不在的。通過(guò)增加量子比特，糾錯(cuò)碼的方案可以部分地克服量子退相干的負(fù)面影響。但隨著附加比特的增多，會(huì)產(chǎn)生新的退相干，多比特相干控制比少比特更困難。僅眼于演示實(shí)驗(yàn)，或許可以克服之，但對(duì)實(shí)際應(yīng)用，還有相當(dāng)遙遠(yuǎn)的崎嶇道路要走，切不可等閑視之。

        通過(guò)相互作用描述量子力學(xué)測(cè)量過(guò)程的思想，可以追溯到1935年馮·諾伊曼的開(kāi)拓性研究。由于儀器是由服從量子力學(xué)規(guī)律的微觀粒子組成，它的整體也應(yīng)當(dāng)用量子力學(xué)加以描述。因此，適當(dāng)?shù)匾氡粶y(cè)系統(tǒng)和儀器間的相互作用，從系統(tǒng)+儀器的總系統(tǒng)的薛定詩(shī)方程，自然可以推導(dǎo)出波包坍縮?；谶@一考慮，量子系統(tǒng)的退相干可以是一個(gè)逐漸出現(xiàn)的物理過(guò)程，而不一定是哥本哈根學(xué)派描述的經(jīng)典儀器引起的瞬間坍縮。法國(guó)Haroche小組1996年完成的腔QED退相干過(guò)程實(shí)驗(yàn)恰好證實(shí)這一點(diǎn)。

        然而，從儀器—系統(tǒng)相互作用觀點(diǎn)出發(fā)，馮·諾伊曼對(duì)量子測(cè)量進(jìn)行了更深入的理論探索，但得到的推論卻是令人費(fèi)解：必須有觀察者的“最后一瞥”，才可能導(dǎo)致系統(tǒng)的波包坍縮。馮·諾伊曼論證的大意是，儀器I和系統(tǒng)S之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致總系統(tǒng)從因子化初態(tài)到糾纏態(tài)的轉(zhuǎn)變，使得被測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有量子相干性。但是，對(duì)于量子系統(tǒng)S加儀器I的復(fù)合系統(tǒng)，相干性仍然是存在的。為了消除這種較大復(fù)合系統(tǒng)的相干性，就必須引入儀器II，形成更大的糾纏態(tài)。要求S+I沒(méi)有相干性，是為了保證從儀器態(tài)“經(jīng)典地”讀出系統(tǒng)的態(tài)：儀器和系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，應(yīng)當(dāng)由經(jīng)典的幾率描述，不應(yīng)具有量子相干性。正如天氣預(yù)報(bào)一樣，預(yù)報(bào)明天降雨概率為30%是一個(gè)客觀的概率性事件，并不依賴人們?nèi)ビ^察什么。為了消除S刊的干涉項(xiàng)，就需要引進(jìn)儀器II，而進(jìn)一步就要引進(jìn)儀器III，儀器IV……這仿佛形成了一條無(wú)限的儀器鏈——馮·諾伊曼鏈。按照馮·諾伊曼的觀點(diǎn)可以推論，波包的坍縮最后必須由“主體”來(lái)決定，人的意識(shí)決定了微觀測(cè)量結(jié)果的“存在”。由此，甚至可以引申出更加似是而非的結(jié)論：量子力學(xué)理論必須有“主觀介入”，微觀概念不再具有“客觀性”，量子微觀世界不會(huì)獨(dú)立于主體之外。

        然而，作為馮·諾伊曼相互作用模型的適當(dāng)推廣，在目前的量子測(cè)量理論中，無(wú)需“主觀介入”，馮·諾伊曼鏈就能夠以某種方式中斷，從而自治地描述了真實(shí)的量子測(cè)量。這些理論的物理本質(zhì)在于強(qiáng)調(diào)儀器和微觀系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別：儀器必定是宏觀的，否則人們無(wú)法直接讀數(shù)。要求儀器必須有無(wú)窮多個(gè)自由度組成，儀器的量子態(tài)本身必須包括集體態(tài)（儀器讀數(shù)）和儀器內(nèi)部態(tài)。由于測(cè)量只關(guān)心集體態(tài)，可以忽視儀器內(nèi)部的信息，得到儀器和系統(tǒng)的經(jīng)典關(guān)聯(lián)。這時(shí)，由儀器完全以經(jīng)典兒率的方式定出被測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，得到完全有用的信息。這些量子測(cè)量理論正在經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步檢驗(yàn)，相信其最終目標(biāo)是正確的。

        我們生活在經(jīng)典宇宙之中，但量子宇宙學(xué)告訴我們，大爆炸后的早期宇宙必定是量子的。因此，在量子宇宙學(xué)中，退相干導(dǎo)致宇宙趨向經(jīng)典的想法十分重要。然而，通常返相干的論證，依賴于存在系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的相互作用，但對(duì)于整個(gè)宇宙而言，通常不存在外部的觀察者和環(huán)境，量子測(cè)量何在？為什么我們的宇宙會(huì)變成經(jīng)典的？

        回答這一問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)在于，描述宇宙時(shí)我們忽略了其內(nèi)部的信息，只關(guān)注其“集體自由度”。而宇宙內(nèi)部的細(xì)節(jié)，雖然不改變其集體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，但會(huì)與之糾纏起來(lái)，使之發(fā)生退相干。Griffiths、Omnes、Hartale和蓋爾曼等人曾深入地研究過(guò)這種“沒(méi)有觀察者”的量子宇宙學(xué)，指出了廣義測(cè)量導(dǎo)致退相干的實(shí)質(zhì)。他們借用了'退相干歷史'的概念（decoverence histories）。其大意是，整個(gè)宇宙是處于一個(gè)量子純態(tài)上，它描述了宇宙各個(gè)部分之間的彼此關(guān)聯(lián)，代表了完全精?；臍v史（completely fine-grained histories）。然而，人們所關(guān)心和能夠“看到”的是一種粗粒化的歷史（very coarse-grained history）,它可以視為各種精?；瘹v史的等價(jià)類(lèi)，對(duì)于這些等價(jià)類(lèi)而言，無(wú)需外部測(cè)量，量子退相干就發(fā)生了。

        本文的分析表明，作為量子信息研究和量子力學(xué)基本問(wèn)題的關(guān)鍵所在，量子測(cè)量問(wèn)題的寓意是十分明確和深刻的。一方面，量子測(cè)量溝通了經(jīng)典與量子世界，提供了從量子力學(xué)過(guò)渡到經(jīng)典力學(xué)的退相干描述：另一方面，這種溝通干擾了微觀世界，它帶來(lái)的量子信息損失，甚至使得“觀察”到的世界有時(shí)面目全非。的確，在量子與經(jīng)典邊界上，量子測(cè)量會(huì)告訴了人們?cè)S多自然界的秘密，但到目前為止，人們尚不能確切地知道這個(gè)邊界究竟在哪里。我們相信，通過(guò)逐漸“剝離”觀察者和客觀世界的“糾纏”，精巧的量子測(cè)量會(huì)逐步逼近客觀世界的“真實(shí)”，找到量子與經(jīng)典邊界，從而導(dǎo)致21世紀(jì)物理學(xué)的重大進(jìn)展。