“薛定谔的猫”是量子力学里一个非常著名的实验，这个实验的最初目的是为了论证量子力学的不可靠性，但是最后却叛变，成为了证明量子力学正确性的重要实验。但是“薛定谔的猫”这个实验在现实也就是宏观世界中是永远无法实现的。这究竟是为什么呢？

1924 年，德布罗意在其博士论文《量子理论的研究》中初步提出了相位波也就是物质波的概念，在这篇论文中运用了两个最亮眼的公式： E=hv 和 E=mc2。

德布罗意把两个公式综合再作出假设，他认为光量子的静止质量不为零，而像电子等一类实物粒子则具有频率的周期过程。

所以在论文中他才得出一个石破天惊的结论， 任何实物微粒都伴随着一种波动。

这种波被德布罗意称为称为相位波 。

相位波

在这个博士论文中，德布罗意首次正式提出了“波粒二象性”，他指出波粒二象性不只是光子才有，一切微观粒子，包括电子和质子、中子，都具有波粒二象性。他把光子的动量与波长的关系式 p=h/λ 推广到一切微观粒子上，指出：具有质量m 和速度v 的运动粒子也具有波动性，这种波的波长等于普朗克恒量 h 跟粒子动量 mv 的比，即 λ= h/（mv）。这个关系式后来就叫做德布罗意公式。而且根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象。

1921 年，著名美国科学家戴维森和助手康斯曼在用电子束轰击镍靶的实验中偶然发现，镍靶上发射的“二次电子”竟有少数具有与轰击镍靶的一次电子相同的能量，显然是在金属反射时发生了弹性碰撞，他们特别注意到“二次电子”的角度分布有两个极大值，不是平滑的曲线。

这个实验证实了，如果电子具有波动性，那么电子束在通过障碍物时应该会和光一样产生衍射。

电子衍射实验示意图

几乎是同时，著名物理学家、电子的发现者J.J汤姆逊的儿子P.G.汤姆逊也以高速电子穿过多晶金属箔获得类似X射线在多晶上产生的衍射花纹，确凿证实了电子的波动性；为德布罗意波提供了又一坚实的基础。 他们两个人一起于1937年斩获诺奖。

在提出了波粒二象性之后，海森堡紧跟着给出他的不确定性原理：越精确地知道位置，则越不精确地知道动量，反之亦然。

爱因斯坦认为，不确定性原理显示出波函数并没有给出一个粒子的量子行为的完全描述；波函数只预测了一个粒子系统的概率性量子行为。哥本哈根学派的领导者玻尔则主张，波函数已经给出了关于一个粒子量子行为的描述，从波函数求得的概率分布是基础的，一个粒子只能拥有明确的位置或动量，不能同时拥有两者。

玻尔认为人类并不能获得实在世界的确定的结果，他称自己只有由这次测量推测下一次测量的各种结果的分布几率，而拒绝对事物在两次测量之间的行为做出具体描述。

这恰恰也是爱因斯坦的相对论所无法接受的，相对论虽然推翻了牛顿的绝对时空观，却仍保留了严格的因果性和决定论。

作为爱因斯坦的盟友，薛定谔同样无法认可玻尔的观点，所以他提出了“薛定谔的猫”实验。

将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。

爱因斯坦在听说了薛定谔提出的猫实验之后非常高兴，他给薛定谔回信道：“你的猫实验说明我们的意见完全相同，既包含生又包含死的波函数ψ不能被用来描述现实的状况。”

现实世界里，猫怎么可能处于既生有死的状态，薛定谔认为这非常好的反驳了玻尔，但是他忽略了一个问题，微观世界和现实世界是不一样的。

宏观世界的认知是无法适用于微观世界的，量子力学的一个中心原则就是粒子可以存在于叠加态中，能同时拥有两个相反的特性，也就是我们说的波粒二象性。

尽管我们在日常生活中常常面对“不是A就是B”的抉择，而但在微观世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的。

爱因斯坦那句著名的话；”上帝不玩骰子“，然而薛定谔的猫却成为最好的论证：上帝似乎是玩骰子的。

正是因为量子叠加的正确性，“薛定谔的猫”实验在宏观世界中永远不可能复制，因为宏观物质不可能处于“既生又死”的状态，微观世界和宏观世界拥有者不同的运行法则。

不过“薛定谔的猫”微观世界版却可以成功实验，什么意思呢？就是将“猫”替换成微观世界中的粒子，研究人员将铍离子每隔若干微米“固定”在电磁场阱中，然后用激光使铍离子冷却到接近绝对零度，并分三步操纵这些离子的运动。为了让尽可能多的粒子在尽可能长的时间里实现“薛定谔猫”态，研究人员一方面提高激光的冷却效率，另一方面使电磁场阱尽可能多地吸收离子振动发出的热量。最终，他们使6个铍离子在50微秒内同时顺时针自旋和逆时针自旋，实现了两种相反量子态的等量叠加纠缠，也就是“薛定谔猫”态。

2015年瑞士洛桑联邦理工学院科学家就成功拍摄出光同时表现波粒二象性的照片。底部的切片状景象展示了光线的粒子特性，顶部的景象展示了光线的波特性。

“薛定谔猫”实验在微观世界中得到了多次的论证，这也让薛定谔一直耿耿于怀。而“薛定谔的猫”实验中展现的量子叠加特性，也开始在计算机中得到应用，也就是量子计算机。

因为传统计算机每比特非0即1，而在量子计算机中，量子比特可以以处于即是0又是1的量子叠加态，这使得量子计算机具备传统计算机无法想象的超级算力。

举个例子，如果x=0，运行A；如果x=1，运行B。

传统计算机永远只会一次执行一种逻辑分支，要么A，要么B，要么两种情况各运行一次。

但在量子计算机中，变量X是量子叠加态，既为1，又为0，因此它可以在一次计算中同时执行A和B。这也被称为量子比特或者叫量子位。成为了量子信息的计量单位。

也就是说，传统计算机使用0和1，量子计算机也是使用0跟1，但与之不同的是，其0与1可同时计算。古典系统中，一个比特在同一时间，不是0，就是1，但量子比特是0和1的量子叠加。这是量子计算机计算的特性。

所以如果我们将量子比特的数量增加到10个，那么传统计算机需要计算2^10=1024次。量子计算机需要计算多少次呢？

还是1次。

我们再把量子比特数加到100个、1000个、10000个乃至更多，看出差距了吗？现有计算机要运行上万年的工作量，量子计算机只用几分钟就能搞定。