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量子力学那些事

来源: 发布时间:2018-06-12 17:33:41

  经典理论和量子理论毫无疑问是人类智慧的结晶。牛顿力学是以牛顿运动定律和万有引力定律为基础,研究速度远小于光速的宏观物体的运动规律。从本质上讲,牛顿力学是一种超距作用的物理理论。在一个有相互作用的多体系统中,一个质点的变化可以瞬间影响整个系统。再比如,牛顿力学允许刚体的存在,如果我们对质心施加作用,则刚体所有的点都会立即随着质点运动的变化而变化。到了十九世纪,麦克斯韦的电磁理论首次预言电磁波的存在,并且以光速的有限速度传播。这随后促使爱因斯坦把相互作用的定域性作为一个基本前提,在其相继提出的狭义和广义相对论中占有重要的位置。相对论的巨大成功让人们相信,定域性是一切相互作用应当遵守的法则。

  然而量子力学的结果让人颇感意外。贝尔指出,所有的定域理论都有一个界限,即贝尔不等式,而量子力学可以突破这个界限。这意味着由量子力学描述的世界是非定域的。很长一段时间人们对非定域性这个概念很不适应。受到相对论中定域性的影响,量子力学的这种非定域性似乎意味着超距作用的可能,那么物理理论就又回到了牛顿力学的范畴。但事实并非如此。与牛顿力学不同,量子力学具有概率论的特点。量子力学中的联合概率满足无信号条件,而无信号条件刻画了空间中相距一定距离的两点是否存在相互作用。实际上,量子力学中的非定域性本质上是一种关联,它与超距作用是完全不同的概念。我们可以看到,现有的量子隐形传态等量子信息技术方案都需要经典通讯的帮助,无法实现信号的超光速传递。量子力学的科学研究有一个显著的特点,就是它通常要和经典理论进行比较以达到深入地理解。或者说,在一定程度意义上,量子力学的研究脱离不开与经典力学的对比。在对经典和量子理论的不断对照和思索中,人们涌现出了许许多多的疑问:大自然为何允许存在这种非定域关联?是怎样的一种机制使得非定域性与因果律不相矛盾?我们周围的这个世界甚至包括人类自己到底是客观性的还是主观性的,是确定性的还是概率性的?等等。这些问题的解答将会对物理理论以及整个科学的发展带来积极的促进作用。

  自从量子力学的奠基者以其深邃的洞察力提出“薛定谔猫态”和“EPR佯谬” 以来, 对于量子非定域性(Quantum Nonlocality)的研究一直是探索量子力学基本问题的热点课题。量子非定域性是量子力学区别于经典力学的本质特性,是量子信息和量子计算的基础,并具有极其深刻的物理意义。自从量子力学的诞生开始,人们对量子非定域性的理论研究与实验探测一直没有停息。2007 年,Wiseman, Jones 和Doherty 对量子非定域性进行重新审视,他们把它仔细划分为三种类型:量子纠缠(Quantum Entanglement)、量子导引(Qauntum Steering)和贝尔非定域性(Bell Nonlocality)。量子纠缠和量子导引的基本概念起源于1935 年爱因斯坦、波多尔斯基和罗森(简称为EPR)的著名论文以及量子力学奠基人之一薛定谔对EPR 论文的反应。而贝尔非定域性则来源于1964 年贝尔对于EPR 佯谬的思考。1989 年德国物理学家Werner 首次给出量子纠缠的严格数学定义。2007 年Wiseman 等人首次给出量子导引的严格数学定义,并指出贝尔非定域性是自然界最强类型的非定域性,而量子导引是一种严格介于量子纠缠和贝尔非定域性之间的新型非定域性。

  研究贝尔非定域性的手段主要有贝尔不等式和无不等式方法(比如GHZ 定理和Hardy 定理)。贝尔不等式被称为“科学中意义最深远的发现” (The most profound discovery in science),量子纠缠态对于不等式的破坏意味着此量子态的非定域性;而一个物理系统或状态若被证明有GHZ定理则说明此物理系统或状态具有贝尔非定域性。量子非定域性被认为是量子力学的核心性质之一,同时它亦是量子信息学中的核心问题。同时通过与信息论的交叉融合,形成了量子信息学,亦为量子力学提供了一个全新的视点和生长点,对它的深入研究也极大地深化了量子理论本身,并开拓了量子力学应用的新天地。通过利用量子力学中的基本原理和基本概念来实现信息的处理,量子信息学取得了革命性发展。目前,量子非定域性的物理含义已逐步被发掘出来并广泛地应用于量子信息学各个领域,诸如量子密码、量子计算、量子通讯、量子模拟、量子隐形传态和真正随机数生成等。许多突破性成果已经获得,与此同时还有许多激动人心的方向亟待着人们去探索和发现。