一個(gè)系統(tǒng)可以同時(shí)表現(xiàn)得既沒(méi)有記憶，又充滿記憶。這不是悖論，而是量子力學(xué)剛剛被重新理解的一個(gè)基本特征。

芬蘭圖爾庫(kù)大學(xué)、意大利米蘭大學(xué)和波蘭托倫哥白尼大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在期刊《PRX Quantum》上發(fā)表了一項(xiàng)新研究，揭示了量子系統(tǒng)中“記憶"這個(gè)概念遠(yuǎn)比物理學(xué)家此前認(rèn)為的更復(fù)雜，也更微妙。他們的核心發(fā)現(xiàn)是：量子系統(tǒng)是否表現(xiàn)出記憶效應(yīng)，取決于你用哪種方式去觀察它。

經(jīng)典世界和量子世界，對(duì)"記憶"的定義根本不同

在日常物理世界里，判斷一個(gè)系統(tǒng)有沒(méi)有記憶相當(dāng)直接。如果系統(tǒng)接下來(lái)的行為完全由它此刻的狀態(tài)決定，和過(guò)去怎么演變過(guò)來(lái)的無(wú)關(guān)，那這個(gè)系統(tǒng)就是“無(wú)記憶"的。反之，如果過(guò)去的歷史還在影響未來(lái)的走向，這個(gè)系統(tǒng)就保留著記憶。

量子世界打破了這套簡(jiǎn)單邏輯。量子系統(tǒng)能以經(jīng)典物理無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式存儲(chǔ)和傳遞信息，更關(guān)鍵的是，對(duì)量子系統(tǒng)的“測(cè)量"本身就會(huì)改變系統(tǒng)的狀態(tài)，這讓“記憶"的定義變得極其棘手。

量子力學(xué)有兩套同樣正確的數(shù)學(xué)框架來(lái)描述系統(tǒng)的演化。一套是薛定諤圖像，關(guān)注量子態(tài)隨時(shí)間的變化，就像追蹤一個(gè)粒子的波函數(shù)如何演化。另一套是海森堡圖像，關(guān)注可觀測(cè)量的變化，也就是實(shí)驗(yàn)中實(shí)際能測(cè)量到的物理屬性如何隨時(shí)間演變。

這兩套框架在預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果上完全等價(jià)，幾十年來(lái)物理學(xué)家把它們視為可以隨意互換的描述工具。新研究給出了一個(gè)令人意外的結(jié)論：在描述記憶這件事上，它們并不等價(jià)。

同一個(gè)系統(tǒng)，換個(gè)視角，記憶就出現(xiàn)了

研究團(tuán)隊(duì)的核心發(fā)現(xiàn)可以用一句話概括：某些記憶效應(yīng)只在薛定諤圖像中可見(jiàn)，另一些只在海森堡圖像中可見(jiàn)，兩種視角各自揭示了不同類型的記憶。

這意味著，如果你只追蹤量子態(tài)的演化，你可能得出“這個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有記憶"的結(jié)論，但如果你轉(zhuǎn)而去看可觀測(cè)量的演化，記憶的跡象就會(huì)清晰浮現(xiàn)，反之亦然。

第一作者、圖爾庫(kù)大學(xué)博士研究員費(fèi)德里科·塞蒂莫解釋道：“記憶并非單一概念，而是根據(jù)系統(tǒng)演化的描述方式不同，可以以不同方式表現(xiàn)出來(lái)。"

這個(gè)發(fā)現(xiàn)在概念層面相當(dāng)深刻。它意味著量子記憶不是一個(gè)可以被單一視角完整捕捉的屬性，僅靠分析量子態(tài)根本不夠，必須同時(shí)考慮兩種圖像才能得到完整的圖景。

對(duì)量子技術(shù)的實(shí)際意義

這不只是一個(gè)讓物理學(xué)家撓頭的理論謎題，它對(duì)量子計(jì)算和量子通信的工程實(shí)踐有直接的現(xiàn)實(shí)意義。

量子計(jì)算機(jī)最棘手的敵人之一就是噪聲，而噪聲往往正是通過(guò)量子系統(tǒng)與外部環(huán)境的相互作用引入的。環(huán)境的干擾會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生記憶效應(yīng)，讓量子比特的行為變得難以預(yù)測(cè)和控制。如何抑制這些記憶效應(yīng)，或者反過(guò)來(lái)利用它們，是量子工程的核心挑戰(zhàn)之一。

圖爾庫(kù)大學(xué)理論物理教授尤爾基·皮利奧直接點(diǎn)出了這層聯(lián)系：“了解如何見(jiàn)證記憶，對(duì)于制定降低噪聲或利用量子設(shè)備環(huán)境效應(yīng)的策略至關(guān)重要。"

換句話說(shuō)，如果工程師只用薛定諤圖像來(lái)分析系統(tǒng)的噪聲特性，他們可能漏掉那些只在海森堡圖像中才顯現(xiàn)的記憶效應(yīng)，從而設(shè)計(jì)出不夠有效的糾錯(cuò)方案。這項(xiàng)研究提示，量子設(shè)備的診斷和優(yōu)化需要更全面的分析工具，單一視角可能導(dǎo)致系統(tǒng)性的誤判。

目前，量子糾錯(cuò)是整個(gè)量子計(jì)算領(lǐng)域最密集的研究方向之一。谷歌、IBM、微軟等科技巨頭投入大量資源攻克量子比特的退相干問(wèn)題，而退相干的本質(zhì)正是量子系統(tǒng)與環(huán)境的記憶效應(yīng)在糾纏上的體現(xiàn)。從這個(gè)角度看，更清晰地理解量子記憶的結(jié)構(gòu)，不是純粹的基礎(chǔ)物理問(wèn)題，而是有著明確工程價(jià)值的研究方向。

重新理解量子力學(xué)的基本概念

這項(xiàng)研究更深遠(yuǎn)的意義，在于它提醒物理學(xué)界：量子力學(xué)的獨(dú)特性，不僅體現(xiàn)在疊加態(tài)、糾纏這些已經(jīng)廣為人知的現(xiàn)象上，還潛伏在記憶這樣看似基礎(chǔ)的概念里。

經(jīng)典物理中，記憶是一個(gè)系統(tǒng)的客觀屬性，不取決于你怎么描述它。量子力學(xué)打破了這個(gè)直覺(jué)，記憶變成了一個(gè)依賴于觀察框架的屬性，不同的描述語(yǔ)言可以揭示不同的記憶結(jié)構(gòu)。

這種依賴性不是量子力學(xué)的缺陷，而是它區(qū)別于經(jīng)典物理的本質(zhì)特征之一。當(dāng)研究者們?cè)诹孔蛹夹g(shù)中不斷推進(jìn)邊界，這類對(duì)基礎(chǔ)概念的重新審視，往往會(huì)在意想不到的地方打開新的可能性。

量子系統(tǒng)比我們以為的更“記仇"，但它記住的東西，要看你用什么方式去問(wèn)它。