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量子信息科技走向何方

时间:2008-03-18 00:00来源: 作者: 点击:
量子信息科技走向何方 科学解释因果关系,而魔巫术反之,魔术师表演因果反常娱乐观众,巫术师祈求神灵消灾除邪。意味深长的是,所有科学分支都服从因果律,似乎量子力学例外。海森伯说:“因果律不再适用于量子理论。”格林伯格说:“量子力学是魔术。”量子
  

量子信息科技走向何方

科学解释因果关系,而魔巫术反之,魔术师表演因果反常娱乐观众,巫术师祈求神灵消灾除邪。意味深长的是,所有科学分支都服从因果律,似乎量子力学例外。海森伯说:“因果律不再适用于量子理论。”格林伯格说:“量子力学是魔术。”量子隐形传态理论的主创者贝内特把这种借神秘作用的传送比作伏都(巫术)。那种神秘作用早被爱因斯坦嘲笑为鬼魅远距作用、传心术式的影响。从量子力学问世,在其数学形式和量子实体关系的探索中遭遇谜团,即量子力学诠释问题,以及在其数学形式和测量结果关系的探索中又遇谜团,即量子测量问题。量子力学的不同诠释对测量问题提出不同的解答。哥本哈根诠释否定实体独立于观察存在和否定其行为遵从因果律,这些否定导致引入波函数坍缩假设来解释实验测量产生有定值的结果。不幸,这个假设引起一系列的问题:波函数何时、何地、如何坍缩?坍缩是不是物理过程?坍缩是否由观察者的知觉引起?坍缩是否真的发生?

1927年9月,在意大利科摩国际物理会议上,关于电子的波包坍缩,海森伯说:“这个波包不仅空间中沿直线运动,而且随时间发散。对一个新的观察,这波包给出在被测位置找到这电子的几率。然而这个新观察本身使那波包减小到原来的大小Δq,它在全部可能性中做了一个选择,因此减小了未来的可能性。”1929年春,他在芝加哥大学授课中更详细讲到:“我们想象一个光子,它由麦克司韦波组成的波包表示。因此它有一定的空间扩展,还有一定的频率范围。经半透镜反射,可以把它分成两部分,反射波包和透射波包。因而有一定的几率发现这个光子在被分割波包的某个部分或另一个部分中。在过了足够长时间之后,这两部分会离开任何想望之距离;现在如果实验获得这光子位于波包的反射部分的结果,那么在波包的另一部分找到这光子的几率立刻变为零。因此在反射波包位置的实验会对透射波包占据的远距离的点施加一种作用(波包坍缩),我们看到这作用以大于光速传播。”冯诺依曼在他1932年的书中认为,对体系某个力学量的测量将引起体系的态矢跳向该量本征矢组上的一个投影部分,发生的变化是不连续的,非因果的,瞬间的,而且这种变化在热力学上是不可逆的。按照他的理论,例如,在x轴上测量一个粒子的位置,如果在某个位置x'发现这个粒子,则认为该粒子的波函数瞬间坍缩成一个无限窄的波包delta(x-x')。冯诺依曼认为被观察体系和观察体系的边界是任意的,观测链的末端是观察者的知觉。1939年伦敦和包尔提出,人的知觉完成量子测量。他们写道:“仅当观察到[仪表]指针的位置时,测量才完成。”又说:“我们注意到在从混合态到纯态情形的过渡中观察者的知觉起基本的作用。没有他的实际介入我们得不到一个新的psi函数。”1960年海森伯明确表示:“另一方面,导致态坍缩的记录作用不是物理过程,宁可说是数学过程。随着我们的知识的突然改变,我们知识的数学表示当然也经历突然的改变。”维格纳认为波函数坍缩是观察者的知觉引起,但在逾70高龄时改变想法,认为它是知觉产生之前的客观物理事件。2000年在法兰克福的一个讲座期间,纳克曼孙问泽林格:“包含发生坍缩的波函数的位形空间在哪里”,回答是:“在我脑袋里。”值得一提的是,一本名家所著的教材中写道:“坍缩中,表现出的是粒子状态的突变,其实质上是体系演化时空的坍缩!”总之,提倡波函数坍缩观念的大师和老师们也未能一致地清楚告诉我们它是个什么过程。不虔诚接受或不接受这个观念的,他们关注或欢迎不含波函数坍缩的量子力学诠释,在现有的诸多诠释中,玻姆诠释,多世界诠释,一致性历史诠释和系综诠释是不含波函数坍缩的,不过这些诠释中疑问也不少,至今无一被公认。

然而,如果我们能建立起量子实体的客观存在形象,它能逻辑地综合波粒二象性和解释量子现象,那么就不必要用波函数坍缩来解释测量有定值的结果。事实上,我们可以建立一个描述粒子的不发散波包模型:考虑一个微观粒子近似用一个由无限多个简谐波组成的德尔塔(delta)函数来描述,如果假设除一个组分(特征分量)外其余组分都是与普朗克常数无关的潜波,只有特征分量的频率和波矢通过普朗克常数与粒子的能量和动量相关,则这个分量正好就是我们熟悉的波函数。显然,这样的波包是线性的、永不发散的,可以描写一个自由粒子。这种由潜波组成的波包,称谓“初级波包”,它完全不同于由德布罗意波或电磁波组成的“次级波包”,次级波包原则上具有发散性。用初级波包模型可以合理地解释量子现象,现在考虑前面海森伯讲的例子,为方便说明问题,设想半透镜是格子型的,金属格架上完全反射光,空隙处透光,做成透反几率各占50%。如果一个初级波包的峰在格架上反射,则峰外部分的一半在整个格架上反射,另一半透射。或者,初级波包的峰透过一个空隙,则峰外部分的一半透过全部空隙,另一半在整个格架上反射。初级波包的含峰片和不含峰片相遇时会发生干涉,如在马赫-曾德干涉仪中看到的。与海森伯所设想的情况不同,在这里,在测量发现那个粒子时不存在波函数坍缩,也不存在惠勒的前果后因的延迟选择效应。海森伯想象一个光子“由麦克司韦波组成的波包表示”是混淆了光子实体和电磁波包。初级波包和无限窄的次级波包(位置算符的本征函数)的性质根本不同,前者的峰位置和动量是确定的,后者的峰位置和动量满足海森伯不确定关系,但因都是德尔塔函数形式,二者极易混淆。例如,当极弱光照射感光板后,上面出现的感光斑点似乎是麦克司韦波坍缩到位置算符本征函数“尸体”留下的放大像,其实它是那初级波包(光子实体)“尸体”留下的放大像,波函数坍缩从未发生,因那个波只不过是初级波包的特征分量。因此粒子不是测量强迫一个波函数坍缩创造出来的,而是测量前已存在,测量后被发现。可见,波函数坍缩假设起因于无限窄的次级波包和粒子实体的混淆,即起因于这种次级波包和初级波包的混淆,因此坍缩过程实际不存在,是臆造,是测量时的多余假设。

现在我们来探讨量子纠缠的真相和是否存在波函数的关联坍缩。在BBO(beta-偏硼酸钡)晶体上通过自发参量下转换产生纠缠光子对是最常用方法,它把一个紫外光子变成一对红外纠缠光子,常被编号为光子1和光子2,这种编号出现在量子纠缠的数学公式中。对该数学公式反映的物理本质至今没有一致的理解,爱因斯坦等认为量子纠缠的数学公式反映量子力学对客观的物理实在描述不完备,而玻姆和贝尔等认为它反映这对粒子间存在一种非定域的作用,即爱因斯坦所说的鬼魅远距作用、传心术式的影响。现在我们杜撰一个隐喻来帮助认识量子纠缠。记得元代两口子,赵孟頫和管道升,设想把他们的灵魂各割出一半,互相交换,并改名为“管赵孟頫”和“赵管道升”,他们不就互相纠缠起来了吗。有管道升的词为证:“你侬我侬,忒煞多情。情多处,热似火。把一块泥,捻一个你,塑一个我。将咱们两个一齐打破。用水调和。再捏一个你,再塑一个我。我泥中有你,你泥中有我。与你生同一个衾,死同一个椁。”管先病死,赵伴管的魂跟着病死,但赵未受鬼魅远距作用,而是管伴赵的阴魂不散,这是量子纠缠的极好写照。上面所讲的线性光学器件半透镜只起初级波包的分割作用,而在非线性光学晶体BBO上它们不仅各被分割,还有那一半的交换。早在1935年爱因斯坦等(EPR)就注意到,例如对编号1和2的一对动量纠缠粒子,按量子力学,改变一个粒子的状态似乎会影响另一个粒子的状态,不管它们相距多么遥远。但他们不相信会有这种违反相对论因果性的影响,断言量子力学对客观物理实在的描述是不完备的。如果对赵孟頫和管道升编号1和2,对新改的名“管赵孟頫”和“赵管道升”编号S1和S2,这联想到爱因斯坦在1946年文章“自述”中表示“坚持认为”:“体系S2的实在状况与我们对那个空间上同它分开的体系S1所采取的行动无关。”按粒子的初级波包模型,对S1的测量是发现了它的实在状态,波函数并未坍缩,而且根据这对粒子与生俱来的关系,这时可以推测S2的实在状态,但它的波函数并未发生关联坍缩。以上是对爱因斯坦这个著名论断做了解读,原来他不经意改换了粒子的编号,1换成S1,2换成S2,以适合他的直觉和定域实在论思想。在纠缠光子对中,光子1的非空态与永远相伴(重合)的光子2的准空态会同时受外界作用,所以很容易误解为改变光子1的实在状态会影响遥远的光子2的实在状态,原来,光子2的非空态远在天边,而它的准空态就近在眼前。因此,对纠缠粒子的测量时不存在波函数的关联坍缩,非定域影响子虚乌有,这种影响只虚构在量子物理学家的头脑里,怪不得此种影响可以瞬间远达天边,无需媒介,也没有任何东西能阻拦。由此可见,贝内特等的量子隐形传态理论,错在依据所谓非经典关联(非定域性)和波函数的关联坍缩假设,深层次说,他们未意识到可以把纠缠量子的态分出非空态和准空态来解释量子纠缠行为。

有人很喜欢用“薛定谔猫态”概念,所以有必要谈一下著名的薛定谔猫悖谬。薛定谔考虑,把一只猫放在一个盒子里,其中有等几率发射粒子的放射源和装有氰化钾的小瓶。放射粒子将会驱动一个锤子打破瓶子放出毒物,如果还无原子衰变,猫还活着,第一个原子衰变就会把它毒死,按哥本哈根学派的观点,这时整个体系的波函数以半死半活的猫表示,而猫的死活结局依赖于打开盒子和观察者的一瞥,这一瞥引起死活叠加态向死猫或活猫的确定状态坍缩。薛定谔用这场猫剧嘲笑“观察创造实在”和波函数坍缩假设。这个悖谬关系到量子力学的基本问题:宏观物体的经典性是如何出现的。哥本哈根学派声称,量子力学的描述是完备的,也完全适用于宏观物体。这似乎意味着,一个宏观物体可以处于一个叠加态。然而,实际情况是,微观实物粒子的物质波在宏观物体内部是受屏蔽的,即物体的外层必然会屏蔽内层的物质波,这样一来,物体只剩下非常薄的表面层对外有量子效应,即物体整体的波动性微不足道,它的运动不再受量子力学统摄,而完全服从牛顿力学。因此,放射粒子与猫不会发生“量子纠缠”,不存在猫的半死半活叠加态,更无其在一瞥下坍缩的奇事。故玩“薛定谔猫态”概念没有意义。

从以上的论述推断,利用波函数坍缩使半透镜成为光子纠缠器是空想,表演的似魔术,利用波函数关联坍缩进行量子隐形传态也是空想,表演的似巫术。事实上,至今,多光子纠缠和量子隐形传态的“实验实现”都还缺少足够的验证和决定性的证据。以笔者之见,量子隐形传态的理论是错误的,用半透镜纠缠光子的实验路线也是错误的,何来辉煌的成果。看来,那些诚实君子为取得成果,也许要花太长时间和太多精力在凑出所希望的数据上。如果实验起自同一个用于激发的激光脉冲,终于符合计数测量,则太有可能设法测得几条数据曲线演示自欺欺人的成果,这种成果永远只能是一些曲线,至少十年来看到的是如此。在上面论述中看到,量子的某些行为似乎违反因果律,是出于误解,是表观的,不是真实的,科学服从因果律,量子力学并不例外。不幸,对某些量子现象的非因果性解释已导致有迷人“应用前景”的量子魔巫术的涌现,有借名刊登载和赞许,吹得神乎其神,捧得无以复加,获巨额资金支持不在话下。对这类魔巫术的危害不可低估。时至今日,“首次实现”和“国际领先”的“成果”还在继续震惊世界,恐怕这样下去会闹出天大的笑话。

(作者:北京大学物理学院王国文)

附件:

最近消息:我校“实现六光子薛定谔猫态”研究成果入选2007年中国十大科技进展新闻

由547名中国科学院院士和中国工程院院士投票评选的2007年中国十大科技进展新闻1月20日在京揭晓,我校合肥微尺度物质科学国家实验室(筹)量子物理与量子信息研究部的潘建伟教授主持的“实现六光子薛定谔猫态”项目入选其中。
                        
自2001年以来,我校已有6项研究成果入选中国十大科技进展新闻,这也是合肥微尺度物质科学国家实验室(筹)自2003年筹建以来连续5年有研究成果入选其中。
                       
潘建伟教授领导的研究小组通过对多光子操纵技术的进一步发展,成功制备出由6个光子极化状态相干叠加形成的“薛定谔猫态”,并在同一装置上实现了可以直接用于量子计算的六光子“簇态”,刷新了光子纠缠和量子计算领域的两项世界纪录。该项研究成果以封面文章形式发表在2007年2月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然.物理》上,这是他们的研究成果再次出现在该杂志封面。这一成果为量子计算、量子纠错和量子力学基本问题的研究铺平了道路,表明我国在多粒子纠缠研究领域继续保持国际领先水平。
(后畧)
             
科技处 2008. 1.21


最近消息:潘建伟等首次实现光子比特与原子比特间的量子隐形传态
                                   
中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室潘建伟教授和他的同事陈宇翱、苑震声等,在国际上首次实验实现了光子比特与原子比特之间的量子态隐形传输。该项研究成果以封面标题的形式发表在2月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然.物理》上。
                                   
众所周知,量子态非常容易被环境噪声所破坏,在对量子态的传输、操纵和存储等操作中,不同的物理系统有不同的优势。光子飞行速度快并与环境耦合作用小,是量子通信中最好的信息载体,但是光子很难被存储;相比而言,原子态有很长的退相干时间,可用来存储量子态。两个系统如果能够相互转换,将对远距离量子通信和大尺度的量子计算带来极大的推动。因此,实现连接这两个系统的量子界面已经成为量子信息处理中重大的实验挑战。
                                   
在不破坏其量子特性的情况下,将飞行(光)量子比特所载信息传送到静止(原子)量子比特上,并在需要时成功读取原子量子比特内存储的信息,这一技术将是未来量子信息处理中的重要组成部分。

如何实现上述目标呢?
                                   
在经典的世界中人们可以复制并传输信息,日常生活中我们每天都会用到,比如传真机。而在量子世界中,量子信息只能由载体传递,不能被复制,无法使用类似传真的普通传输方式。在传递信息的过程中,量子隐形传态无须复制所传信息,而是提供了一种传递量子信息的方法,这也是量子纠缠在实际应用中最引人注目的方案之一。量子隐形传态是很多量子通信和量子计算的基础步骤。
                                   
尽管量子隐形传态和量子存储已经分别在以前的实验中被实现,然而如何进行内嵌存储功能的量子隐形传态,始终是量子信息处理的一大难题。
                                   
潘建伟领导的中国科大研究小组在国家自然科学基金、科技部973计划、中国科学院知识创新项目等的支持下,同德国、奥地利等国的同事合作对这一难题进行了近四年的艰苦研究,最近他们成功地将一个未知光量子态隐形传输到原子比特上,并在存储8微秒后,再将原子态转换为光子态。
                                   
在实验中,他们利用极化光子态作为量子信息的载体,利用由大约1百万铷原子构成的冷原子系综作为量子存储器,制备了光子与原子系综态之间的纠缠。通过这个光子-原子纠缠源,进行了光量子比特到远程原子比特的量子态隐形传输。传输到原子比特的量子信息在存储了8微秒后,被成功地转换为光量子态以作进一步的量子信息处理。
                                   
内嵌存储功能的量子态隐形传输对基础量子物理的研究意义重大,同时具有可读功能的量子存储器也是实现高速可升级量子信息网络的必要器件。因此,潘建伟等的这一工作,引起了国际学术界的广泛关注。论文发表后,已有多家欧美知名学术新闻网站和广播电台对这个工作做了专题报道。

(微尺度物质科学国家实验室)
                   

 

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