什么是量子逻辑？

程明：物理学博士。曾在《自然》《物理评论通讯》PRL 等世界顶尖学术杂志上发表 10 多篇论文，被诺贝尔奖获得者及多本教科书如宾大著名教授 Lubensky所著的《凝聚态物理原理》引用。曾就职于美国硅谷多家高科技公司，曾任职AMAT的高级工程师、CyperCTI的技术总监。著有《留美专家谈电子商务》(2000年)《有机分子的电子晶体学》(章节作者)。 曾海归在南京大学，武汉大学任教和担任研究生指导老师。 

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量子逻辑是一种非经典逻辑系统，并非新课题。早在1936年，著名物理学家和数学家加勒特·伯克霍夫（Garrett Birkhoff）和约翰·冯·诺依曼（John von Neumann）就提出了量子逻辑的概念。他们在1936年的文章《量子力学的逻辑》（The Logic of Quantum Mechanics）中首次提出了这一概念。这篇文章对量子逻辑的发展产生了深远影响，是该领域的开创性工作。

文指出，量子理论吸引人的一个方面是其预设的逻辑概念的新颖性。它断言，即使对物理系统进行完整的数学描述，通常也无法确定地预测结果，这种现象在今天的量子计算中是非常明显的。

在量子系统中，某些物理量的测量结果不能用经典逻辑描述。例如，微观物体（如电子和光子）具有波动性和粒子性两种性质，但这两种性质不能同时被完整地描述。具体来说，在某些实验中，微观物体表现出波动性，而在另一些实验中，它们表现出粒子性。这两种性质是互补的，必须结合起来才能完整地描述量子现象。

即量子系统可以用波的方式或粒子的方式来描述，但这两种描述不能同时使用。波尔称之为互补性原理。互补性原理表明，量子系统的完整描述需要考虑所有可能的测量结果，而不是单一的确定性结果。

量子逻辑尝试用逻辑的方法来解释和理解这种互补性的框架。量子逻辑的研究是量子理论结构的数学和物理分析的一部分，提供了一组受量子理论启发的命题操作规则。这些规则反映了量子力学中的实验测试结构，形成了比经典力学中的布尔代数更为复杂的结构。

在量子计算出现之前，所有已被研究的量子逻辑都是命题量子逻辑。

命题量子逻辑是量子逻辑体系中的一个特定领域，集中探讨量子理论框架内的命题表述和推理过程。与传统布尔逻辑相比，量子逻辑不遵循某些基本定律，例如排中律（任何命题要么为真要么为假）和分配律（逻辑运算的分配规则）。量子逻辑中的分配律并不总是成立，因为量子逻辑基于量子力学的数学结构，特别是希尔伯特空间中的子空间。量子逻辑中的命题对应于希尔伯特空间的闭子空间，而这些子空间的交集和并集并不总是满足经典逻辑中的分配律。因此，需要对这些逻辑定律进行调整，以便更准确地反映量子现象。

在命题量子逻辑的语境下，一个命题不仅可能是真或假，还可能处于一种概率性的不确定状态，这映射了量子力学的基本特性——不确定性原理。例如，量子态的叠加原理意味着一个量子系统可能同时处于多个状态，而在未进行观测之前，系统的确切状态是不可知的。

研究命题量子逻辑对于深入理解量子计算的信息处理机制至关重要，因为它揭示了量子系统在逻辑推理方面与经典系统的根本差异。这种理解对于推动量子计算机和量子信息科学的发展极为关键，它们的运作依赖于量子力学的基本原则，以实现超越传统计算能力的计算和信息传输。

简而言之，量子逻辑是对量子现象进行描述和推理的一种逻辑框架，它考虑了量子力学的特性，如量子叠加和量子纠缠，这些特性在经典逻辑中是不存在的。量子逻辑为理解和处理量子信息提供了基础，对于量子计算和量子通信等领域至关重要。

量子逻辑对现代物理学产生了深远的影响，特别是在以下几个方面：

1.哲学影响：

量子逻辑挑战了传统的哲学观点，尤其是关于知识和现实的本质。它促使哲学家重新考虑如何理解物理现象，以及这些现象如何影响我们对世界的认识。

2.逻辑和数学结构：

量子逻辑的提出导致了对传统逻辑和数学结构的重新评估。它展示了布尔逻辑在描述量子现象时的局限性，并推动了新的逻辑结构的发展，如模态逻辑和拓扑逻辑。

3.量子计算：

量子计算机的出现让量子逻辑有了实际的应用。量子逻辑为量子计算提供了理论基础，特别是在量子算法和量子信息处理方面。著名的Shor算法就是应用了量子逻辑，成功实现了大质数因式分解。Shor算法展示了在理想状态下的量子计算机上，可以有效地进行大整数的因式分解，使其被归类到BQP（有界错误量子多项式时间）复杂度类别。与目前最高效的传统因式分解算法——通用数域筛选法相比，Shor算法的速度要快得多，因为后者需要亚指数时间来完成同样的任务。

量子逻辑在量子计算中由量子逻辑门来实现。

量子逻辑门的概念直接影响了量子计算机的设计和实现。

量子逻辑门是量子逻辑在量子计算中的具体应用。量子逻辑门是量子计算机中的基本操作单元，它们对量子比特（qubits）进行操作，实现了量子数据的处理和转换。这些门的设计基于量子力学的原理，如叠加和纠缠，这些原理与经典逻辑不同，因此量子逻辑门能够执行一些经典逻辑门无法完成的操作。

量子逻辑门的工作方式反映了量子逻辑的特性，例如，它们能够将量子比特置于叠加状态，这意味着一个量子比特可以同时表示0和1的状态。这种能力使得量子计算机在处理某些类型的问题时比经典计算机更有效率。因此，量子逻辑门不仅是量子逻辑的实际应用，也是量子计算能力的关键来源

4，量子信息理论：

量子逻辑对量子信息理论的发展也有重要贡献，包括量子通信、量子加密和量子传输等领域。这些技术的发展依赖于量子逻辑的原理。

5，数学世界难题：

现在很多数学家和量子计算学家，以及物理学家，把一些多年未能解决的数学世界难题，如黎曼猜想，P/=NP问题，都寄希望于量子逻辑上面。但对量子逻辑的应用，还没有形成完全共识。

6，跨学科研究：

量子逻辑的概念和方法已经被应用到其他学科，如计算机科学、语言学和认知科学，推动了这些推动了这些领域的研究和发展4。一个不可或缺的组成部分，对科学和技术的未来发展有着重要的意义。

总体来说，量子逻辑不仅改变了我们对物理世界的理解，还影响了多个学科的研究方向和方法论。它是现代物理学中一个不可或缺的组成部分，对科学和技术的未来发展有着重要的意义。

附录：

一、希尔伯特空间中的闭子空间

闭子空间是线性代数和函数分析中的一个重要概念，特别是在希尔伯特空间的研究中。以下是对闭子空间的详细解释：

1.线性子空间：首先，线性子空间是指一个向量空间中的一个子集，这个子集本身也是一个向量空间。具体来说，如果向量空间 ( V ) 中的任意两个向量 ( alpha ) 和 ( beta ) 的和 ( alpha + beta ) 仍然在这个子集中，并且任意一个向量 ( alpha ) 与一个标量 ( k ) 的积 ( kalpha ) 也在这个子集中，那么这个子集就是 ( V ) 的一个线性子空间 1.

2.闭子空间：闭子空间是线性子空间的一种特殊类型，它在赋范空间（如希尔伯特空间）中是闭合的。也就是说，如果一个序列中的向量都属于这个子空间，并且这个序列收敛，那么它的极限也必须属于这个子空间2.

3.希尔伯特空间中的闭子空间：在希尔伯特空间中，闭子空间具有特别重要的意义。希尔伯特空间是一个完备的内积空间，闭子空间在这种空间中也是完备的。这意味着，闭子空间中的每个序列如果收敛，其极限也在这个闭子空间内 2.

二、量子逻辑中的命题对应于希尔伯特空间的闭子空间

这一观点源于量子力学的数学表述。具体来说，量子力学使用希尔伯特空间来描述量子系统的状态，而这些状态可以用向量表示。

在这个框架中，量子逻辑的命题被视为希尔伯特空间中的闭子空间。以下是一些关键原因：

1.投影算子：在希尔伯特空间中，每个闭子空间都可以通过一个投影算子来表示。这个投影算子对应于一个量子命题，即关于系统状态的某个陈述。

2.命题操作：量子逻辑中的逻辑操作（如合取、析取和否定）可以通过闭子空间的交集、并集和正交补来实现。例如，两个命题的合取对应于它们的交集，而析取对应于它们的闭生成.

3.实验命题：在量子力学中，实验命题是与理想化的量子测量相联系的特殊类型的命题。这些命题可以通过希尔伯特空间的闭子空间来表示，因为测量结果可以被视为系统是否存在于某个闭子空间中.

通过这些方式，量子逻辑中的命题与希尔伯特空间的闭子空间建立了紧密的联系，从而提供了一种数学上严谨且物理上合理的描述量子现象的方法。

三、量子逻辑门

量子逻辑门是量子计算中的基本操作单元，它们对量子比特进行操作，实现量子数据的处理和转换。以下是一些常见的量子逻辑门类型：是量子计算中的基本操作单元，它们对量子比特进行操作，实现量子数据的处理和转换。以下是一些常见的量子逻辑门类型：

阿达马门（Hadamard Gate, H）：它作用于单个量子比特，将基态创建了量子叠加状态。

泡利门（Pauli Gates, X, Y, Z）：

·X门：相当于经典的非门，它将 ∣0⟩ 和 ∣1⟩ 状态互换。

·Y门：对单个量子比特进行操作，引入了相位差异。

·Z门：保留 ∣0⟩ 状态不变，而将 ∣1⟩ 状态乘 −1，引入相位翻转 [6]

参考资料：

[1] The Logic of Quantum Mechanics。 Garrett Birkhoff; John Von Neumann
The Annals of Mathematics, 2nd Ser., Vol. 37, No. 4. (Oct., 1936), pp. 823-843

[2] 量子力学诠释 wiki

[3]量子论逻辑_百度百科 (baidu.com)

[4] The Influence of Quantum Physics on Philosophy， SpringerLink， Published:03 May 2021，Volume 28, pages 477–488, (2023)

[5] 逻辑运算符 wiki

[6] 量子门 wiki

[7] 希尔伯特空间 wiki

[8] 量子叠加态在量子计算中的意义，程明， 十万个为什么3.0丛书。