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一文看懂量子十问(上篇)

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一文看懂量子十问(上篇)

雪花又一年 2018-05-03 14:17:00 浏览511 评论1

摘要: 近几年来,随着量子信息的飞速发展,“量子”已成为人们津津乐道的话题,人们甚至将“量子现象”描绘得神秘无比,仿佛世界上所有难以解决的事情都可归结到“量子纠缠”上。 究竟量子力学能为人类提供什么真实有用的技术?目前宣传的量子现象,哪些是科学的预言,哪些是人们杜撰出来的虚无之物?本文摘要了中国科技大学郭光灿教授在“量子十问”网络科普中的科普文章,与大家一起分享。

近几年来,随着量子信息的飞速发展,“量子”已成为人们津津乐道的话题,人们甚至将“量子现象”描绘得神秘无比,仿佛世界上所有难以解决的事情都可归结到“量子纠缠”上。


究竟量子力学能为人类提供什么真实有用的技术?目前宣传的量子现象,哪些是科学的预言,哪些是人们杜撰出来的虚无之物?本文摘要了中国科技大学郭光灿教授在“量子十问”网络科普中的科普文章,与大家一起分享。本期分享的是上篇,为“量子十问”中的前“五问”。


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量子十问之一

量子是什么?你相信“量子水”“量子炸弹”吗?


目前,网络上在流传什么“量子肥料”、“量子水”等忽悠人的词,将来还可能出现“量子炸弹”、“量子导弹”……这些忽悠大众的名词将本来应是光辉纯洁的学术领域炒作得乌烟瘴气,真假不分,鱼目混珠。


其实,人们只要搞懂“量子比特”的本质,就可以戳穿“假量子”的骗局。


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举一个例子说明“量子”与“经典”的本质区别,经典世界的特点是物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的:晶体管要么导通,要么关闭,完全确定。即经典信息要么是0,要么是1,毫不含糊。但量子世界中,客体的物理量则是不确定的、概率性的,而且这种不确定性与实验技术无关,是量子世界的本质特征,无法消除。这个特征体现在量子力学中重要的量子态叠加原理上。


例如,激光测距实验,从目标反射回来的光束,其强度随距离不断衰减,当探测器无法探测到光时,就是最长的测量距离。当然,如果采用单光子探测器,则测量距离必然增长。


这里测到的是单个光子,是否可以称它为“量子测距”呢?


答案是否定的,因为它没用到光子的量子态,这只是将激光测距提高到极限灵敏度而已,仍属于经典范畴。密立根当年在实验上测量单个电子的电荷,虽然采用单个电子,但这仍然属经典物理实验,因为在该实验中,“单电子”只是作为电荷最小单元,而未涉及到任何量子特性。


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量子十问之二

第二次量子革命究竟要干什么?


第二次量子革命究竟要干什么,这里有两件事要做——其一是继续“做什么”;其二是追问“为什么”。

  

第一次量子革命只是基于量子力学的原理开发出新型的经典器件(激光、半导体、电脑、手机……)造福于人类,这些器件遵从经典物理规律。

  

第二次量子革命则是直接开发基于量子特性本身的量子器件,这些器件遵从量子力学规律,它以量子态(量子比特)为单元,信息的产生、传输、存储、处理、操控等全都基于量子力学规律,是地道的量子器件,称为量子信息技术。其信息功能远远超越相应的经典器件,能突破现有信息技术的物理极限,在信息处理速度、信息安全、信息容量、信息检测等方面将发挥极大的作用,这种崭新的技术将给人类社会带来翻天覆地的变化。

  

目前正在开发的主要量子信息器件和技术,有量子计算、量子密码、量子网络、量子模拟、量子传感等,这些量子器件和技术的物理基础直接应用到量子世界的特性,如量子态叠加性,量子非局域性,量子不可克隆性等。第二次量子革命“做什么”就是开发基于量子特性的量子器件,促使人类从经典技术跨越到量子技术的新时代。

  

第二次量子革命要做的另一件事,是追问“为什么”。主要聚焦在下列两个方面:

  ● 量子世界的奥秘

  ● 量子世界与经典世界的兼容


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量子十问之三

“爱因斯坦幽灵”能实现超光速通信吗?


大家知道,爱因斯坦对量子力学的发展做出极其重要的贡献。然而,爱因斯坦并不喜欢“量子世界的概率性”,他不相信上帝会以掷骰子的方式创造世界,尤其不能认同以玻尔为首的哥本哈根学派对量子力学的诠释。因此,他多次与玻尔就量子力学基本问题发生激烈争论,不过每次他都以失败告终。后来,爱因斯坦便改变争论的策略,即从量子力学原理出发,推演出一个十分荒谬的结果,以期来证明,量子力学用于描述世界是“不完备的”,这就是爱因斯坦等人1935年提出的著名的“EPR佯谬”。


物理学界对EPR佯谬的解释就出现两种截然不同的观点:爱因斯坦等人认为:“幽灵”不存在,世界是局域的,量子力学不完备,必须以“隐参数理论”代之;玻尔等人认为:量子世界是非局域的,“幽灵”理应存在,量子力学是完备的,无需引入“隐参数”。世界究竟是“局域”还是“非局域”这是个哲学问题,难以断定孰是孰非!多亏欧洲核子研究中心的理论物理专家贝尔(Bell)的贡献才打破了这个僵局。贝尔本人实际上是爱因斯坦的铁杆粉丝,他认为爱因斯坦更聪明,“隐参数理论”应当是正确的。1964年,他推导出一个有关EPR实验的不等式,即著名的“贝尔不等式”。如果能验证这个不等式被违背,则“隐参数理论”就不成立。


1982年,法国学者阿斯派克特首次在实验上证实,贝尔不等式被违背。其后人们采用各种物理系统和实验手段开展实验研究,最终无漏洞地证实,贝尔不等式被违背,量子力学是完备的,非局域性是量子世界的重要基本性质。因此,关于EPR佯谬这场经历了60多年精彩绝伦的学术争论到了该谢幕的时刻了!爱因斯坦如果在天有灵,看到他质疑量子力学完备性而提出的EPR佯谬,终被证明是“佯”而不“谬”,反而揭示出量子世界的非局域性这个最基本性质,不知会有何感想?


为便于理解量子世界的非局域性,我们举个不太恰当的例子:在合肥的母亲,当她在深圳的女儿生下头胎婴儿的那一瞬间,她立刻升格为外婆,这就类似于EPR效应。这件事并不需要时间就发生了,尽管母亲并不知道关于她女儿生下婴儿的任何信息。原因在于母女之间的身份关联,女儿成为母亲的瞬间就必然导致自己的母亲变成外婆。


既然“量子世界”确实存在“超光速”的“幽灵”,那么人们自然会问,能否将这个“幽灵”引到我们的经典世界中来,开发出“超光速通信”?许多科学家进行了不懈努力,最终的结论是,这是绝对不会成功的。量子力学的基本原理业已证明,不可能利用纠缠态来实现超光速通信。


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量子十问之四

量子技术能将人“瞬间”转移到别的星球?


经常听到有人议论,“‘量子技术’太神奇,可以实现时空穿越,将人‘瞬间’转移到别的星球上!”果真如此吗?这一问我们就稍微仔细点讨论这个问题。这些说法主要依据所谓“量子隐形传态”这个经典物理无法做到的神奇过程。


量子隐形传态的英文是“Quantum Teleportation”。先说一下,“Teleportation”的含义是“远距传物”,通常在科幻电影或神话小说中出现,人或物在某地突然消失,瞬间在远处重现。现实中当然无法做到,但“量子纠缠”出现后,科学家提出“量子隐形传态”的方案,可以使量子信息或者称量子态在某处消失,随后在远处重现,有点像上述神话中的“远距传物”。


但结论是,量子隐形传态是量子客体之间的一种“非瞬时的”量子信息传送的过程。


这个结论否定了经典客体之间实现这种隐形传送信息的可能性。经典信息的传送必须有物理载体的携带才能实现,这种物理载体可以是声波、电磁波(包括光波)、引力波等。


量子技术不可能将人“瞬间”地转移到别的星球!暂且不说生命、思想意识如何传送,即使是僵尸、木乃伊之类也绝不可能采用“隐形传输”过程传送到别的星球!


“量子隐形传态”是量子纠缠的一种奇妙应用,并被实验所验证。这个过程已成为量子通信等的重要物理基础,已开辟出具有潜在应用价值的新技术。


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量子十问之五

“薛定谔猫”为什么会自然死亡?


凡是学习《量子力学》的学生,都必须学会求解薛定谔方程,人类一百多年来也一直在求解各种各样的薛定谔方程,并从中开发出激光、半导体、核能等新技术,造福人类近一个世纪。薛定谔正是因为在创建量子力学时所作出的巨大贡献荣获了诺贝尔物理学奖。但薛定谔本人后来如同爱因斯坦一样,对量子力学有诸多质疑,1935年他发表了著名的薛定谔猫佯谬,质问客观世界是否存在可以区分的量子态的叠加。


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薛定谔猫佯谬描述


如果有粒子,盒子的机关会被打开,于是铁锤就会掉落下去,打破装有毒气的瓶子,此时毒气会将密封于笼子里的猫毒死,当然如果小盒子未放出粒子,那么这只猫仍然活着。那么,一个小时后,这只猫究竟是活的还是死的?按照量子态叠加原理推演下来,猫也应当处在一半概率是活,一半概率是死的叠加态上,这只半死半活的猫就是历史上著名的“薛定谔猫”。尽管它已有八十多岁,迄今依然是人们津津乐道的话题。


薛定谔提出这个佯谬本意是想问,宏观世界是否存在与微观世界一样可区分态的叠加态?现实世界上为何看到的要么死,要么活的猫,从未看到这只半死半活的猫?可见这里的关键词是“死”和“活”这两种可区分状态,“猫”只是用于形象地表征这个物理命题而已,采用猫呀狗呀都一样。


2003年诺贝尔物理奖获得者Anthony Leggett教授和合作者Anupam Garg教授为此提出所谓“Leggett–Garg不等式”(下称LG不等式),凡是满足此不等式的物理客体属于经典世界,具有处于确定状态的宏观实在性;若违背LG不等式,则属于量子世界,遵从量子态叠加原理。


为研究这个问题,我们可以求助于那只著名的 “薛定谔猫”。首先采用量子光学相干态人为地制造出一只“薛定谔猫”,并采取措施保护这只“猫”不被环境消相干杀死,当然,我们在实验上可以运用LG不等式来识别这只“猫”确实是“量子”的(即实验结果若违背LG不等式,就证实它是量子叠加态)。然后,在实验上设法使“猫”逐渐胖起来(即增大相干态的平均光子数),一直胖到LG不等式不再被违背,这时“薛定谔猫”便死掉了,变为经典猫,它处在死或活的确定状态上。这便找到了经典与量子的界限。特别要强调,在这类实验中“薛定谔猫”的死亡,既不是环境的他杀,也不是测量引起波包塌缩导致,而是“猫”变胖后的自然死亡。


当然我们还需设计更多的这类使薛定谔猫自然死亡的实验,最终从实验上搞清量子世界自发演化到经典世界究竟有哪些机制。一个可能采取的实验方案是,采用质量很小的客体来制备薛定谔猫,然后逐渐增大质量,直至猫自然死亡为止。从而确认质量、引力是否是量子过渡到经典的机制。一旦我们能在实验上搞清楚“量子—经典”过渡的机制,就可以在薛定谔方程中加上体现这个机制的相互作用项,从而可能将量子理论与经典理论融合起来。因此,研究“薛定谔猫”为什么会自然死亡成为探索量子世界奥秘的重要抓手之一。


原文发布时间为:2017-12-11
本文作者:陶卿
本文来源:九州量子,如需转载请联系原作者。

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网友评论

1F
艺如晨

深奥无比啊,似懂非懂,后面抽时间好好看看量子相关技术