量子世界似乎是违反逻辑的。例如,一个量子物体到达路径上的一个分叉处时,不需要选择是要向左还是向右偏转,而是同时沿着两条路径前行——对于经典宏观物体,像是棒球、人类,这种行为是不可能的。物理学家有一种严谨的数学语言来描述量子行为,但是把这种数学语言翻译成日常用语却困难重重。

她为拓扑量子计算机写了一首诗

Amy Catanzano认为诗歌能帮助物理学家发展出一种更有效、准确的语言,来描述看似难以描述的量子世界。她为量子世界写了一首诗:《世界线:量子超级计算机之诗》。这首诗可以用多种方式解读,每当两行诗歌相遇在一个节点时,你既可以选择上面一行诗,也可以选择下面一行诗继续阅读。

为量子世界写一首诗-量子客
Amy Catanzano的《世界线:量子超级计算机之诗》,蓝色和绿色的诗行在白色的节点相遇。

Catanzano认为,诗歌语言就像双曲线一样,是一种发散式的语言,能够激发新的观察和存在的方式,解构并挑战我们的假定。诗歌的这种独特性质特别适合用于描述量子物理学,因为量子物理也挑战着我们对于物理世界的基本概念。

Catanzano的诗歌的基础是拓扑量子计算机的一种可能的架构图。这个设计包含四个量子比特(qubit),每一个量子比特都包含被称为任意子的两个准粒子。然后,通过交换事先确定的序列中相邻任意子的位置来进行计算。接着,计算结果包含在所谓的“纽结”(knot)和“发辫”(braid)中,发辫是任意子的路径——或者,更确切地说,是任意子的世界线——交织而成的。

为量子世界写一首诗-量子客
拓扑量子计算机的一种可能设计的架构图。设计包含四个量子比特,每个量子比特由两个任意子组成。计算通过交换相邻的任意子而实现,这个过程产生任意子的世界线交织而成的发辫结构。在交换序列的末尾,会测量每个量子比特的一对任意子。

任意子是二维空间的准粒子。它既不是费米子也不是玻色子,但像费米子一样,任意子不能占据同一状态,因此,两个任意子的世界线不能相交或合并,而是在三维时空(两个空间维加一个时间维)中形成稳定的发辫结构。

任意子构成拓扑量子计算机的逻辑门。与利用禁闭粒子构成的量子计算机相比,基于量子辫的量子计算机更加稳定,这是因为微小的累积扰动会导致量子态退相干,在计算中引入错误,但是这种微小的扰动不会改变量子辫的拓扑特性。

在诗歌中,Catanzano用四对纵横交错的诗行取代相互交织的任意子路径。两行诗歌相遇时,会共用一个单词,Catanzano使用这种方法来表示任意子的纽结,这些文本的纽结就像是读者前行路上的交叉,他们可以按顺序一行接一行读,也可以在遇到一个文本的纽结时,跳到另一行诗歌去。穿越诗歌的不同路径创造一种独特的文字发辫,导致不同的诗歌结构,就像是拓扑量子计算机中不同的计算一样。

从词语选择和视觉结构上将拓扑量子计算机背后的理论转换为诗歌,这个实践过程被Catanzano称为量子诗学,这使得诗学和物理学可以发生富有想象力且严谨的相互作用。

隐喻表达物理学概念

用文学手法来解释物理概念的想法并不新鲜,事实上,长期以来,物理学家一直试图用隐喻来解析复杂的数学。例如“纠缠”这个词,物理学家用它表示两个相互连接的量子粒子的概念,操纵其中一个粒子会影响另一个粒子的状态,即使粒子之间相隔很远的距离。

然而,隐喻也可能是危险的:隐喻为普通语言赋予新的内涵,而这可能导致误解。纠缠这个词似乎是在描述两个粒子的状态是相互交织、重叠的,然而事实上,这两个粒子没有物理连接,大量的量子物理学实验已经证明了这一点。

因此,如果尝试将普通的语言外推到人类从未直接经验过的世界,将很难找到适合描述特定现实的表达。然而,这种困难从未阻止物理学家描述另一个世界的尝试,他们甚至乐在其中。例如,物理学家用“色”和“味”来描述夸克,但是夸克实际上并没有颜色,也没有味道。

Catanzano认为,如果诗歌思维更为普遍,那就有可能避免这种混乱。诗歌是一种微妙而复杂的语言形式,它超越了对单个单词的简单标准定义。诗歌使用节奏、视觉结构、断行、词序和其他手段来探索看不见的世界,改变时间的流动,描绘其他无法想象的事物。因此,诗歌是量子理论的兼容语言。

意大利国际高等研究学院(SISSA)的物理学家Giuseppe Mussardo对此表示赞同:“诗歌提供了丰富的语言,为表达思想提供了新的工具。但是,任何一种新的语言必须准确捕捉量子理论中的数学,才有可能被物理学家广泛使用。或许最终我们会找到某种量子语言,来相对贴切地描述自然,但是很不幸,直到目前为止,我们遭遇了悲惨的失败。”