奇特的量子效应_量子纠缠

奇 特 的 量 子 效 应

—

王

量 子力 学从

,

,

量子 纠缠

明

《

安徽 教 育学 院物 理 系

年诞生 以来 经 过大 量 的实验

。

个值

。

每 个 能 量 值 出现 的 几 率 大 小 则 取 决 于 波 函 数

。

检验和理论发 展 肯定 了它 的正 确 性

量子力学与

的平方

实 际 上 可 以 认 为 量 子 纠缠 是 量 子 相 干性 的

。

信息技 术 的结 合 也 是 必 然 的 来 越 重 要 的作用

,

。

当今 信 息 科 学 在 推

,

表现方式 特

一

。

量子 纠缠不 能够用 经 典物理解 释 它 实

, , ,

、

动 社 会 文 明进 步 和 提 高 人 类 生 活 质 量 方 面 发 挥 着 越

。

际 上 是 由几 率 波 叠 加 而 成 的 具 有 非 定 域 性 非 常 奇

现有 信息 系统 的功 能 开发 已 经 接

。

下 面介 绍 量 子 纠 缠 在 量 子 密 码 术 量 子 通 信 以

。

近极 限 电子 计 算 机 的 每 个 芯 片 上 集 成 的 晶体 管 数

目随 时 间 呈 指 数 增 长

及 在 量 子 计 算 机 中 的用 途

、

这预示着 若干年 以后计算

,

子密码术与一子通信 量 子 密 码 术 是 密码 术 与 量 子 力 学 结 合 的产 物

,

机存 储 单元 有 可 能 是 单 个 原 子 而 电 子 在 电 路 中 的

,

行 为就将 不再服 从 经 典 力 学 规 律 取 而 代 之 的是 量

,

它 利 用 了 系 统 所 具 有 的量 子 性 质

。

子力学 规律

,

。

于 是 自然 而 然 地 提 出 了 量 子 效 应 究 竟

。

量 子 密码 术 并 不 用 于 传 输 密 文 而 是 用 于 建 立

,

、

会对 计 算 机 运 算 速 度 产 生 什 么 样 影 响 的 问 题 新 的原 理 和 新 的方 法

、

因

传输 密码 本

。

根 据 量 子 力 学 的不 确 定 性 原 理 以 及 量

, , ,

此 信息科学 进 一 步 的发 展 必 须 在 量 子 力 学 中寻 找

。

子 不 可 克 隆定 理 任 何 窃 听 者 的 存 在 都 会 被 发 现 从

而保 证 密 码 本 的 绝 对 安 全 也 就 保 证 了 加 密 信 息 的

量 子 特 性 有 着 独 特 的非 经 典 功 能 有 可 能 在 提

,

绝对安全 家威斯 纳

。

高运 算速 度 确 保 信息 安 全 增 大信息 容 量 和 提 高 检

测 精 度 等方 面 突破 现 有 的经 典 信 息 系统 的极 限

,

,

、

首 先 想 到 将 量 子 物 理 用 于 密码 术 的 是 美 国 科 学

。

。

量

威斯纳于

“

,

年提 出 可利用单量子态

” 。

,

子 信息 学 应 运 而 生 该 学 科 是 量 子 力 学 与 信 息 科 学 相 结 合 的产 物 它 是 以 量 子 力 学 的 态 叠 加 原 理 为 基 础 研 究 信息 处 理 的 一 门科 学

,

、 、

制 造 不 可 伪 造 的 电子 钞 票

,

但这 个设 想 的实现需

。

要 长 时 间保存 单 量 子 态 不 太 现 实

于传输信息

,

贝 内特 和 布 拉

。

量子信息学包括 了

,

萨德 在 研 究

中发 现 单 量 子 态 虽 然 不 好 保 存 但 可 用

。

量 子密码 术 量子 通 信 量 子计 算 机 等 几 个 方 面 近 年 来在 理论 和 实验 上 都 取 得 了重 大 的 突破

,

年 此 二 人 提 出 了第 一 个 量 子 密 方 案 由此 迎 来 了 量 子 密 码 术

,

,

。

码术 方案 称为

的新 时 期

。

,

在 量 子 力 学 所 描 述 的 关 于 微 观 粒 子 的一 系 列 量 子效 应 中 量 子 纠 缠 就 是 近 年 来 在 量 子 信 息 领 域 引 起 广泛 关 注 的一种 量子 力 学 效应

,

年 贝 内特 又 提 出一 种 更 简单 但

,

,

效 率 减 半 的方 案 即

方案

。

最初 的量 子 密码 通

,

。

信 利 用 的都 是 光 子 的 偏 振 特 性 目 前 主 流 的 实 验 方

案 则 用 光 子 的相 位 特 性 进 行 编 码

,

量 子 纠缠 是 量 子 力 学 描 述微 观 粒 子 的一 种 现

。

量子加密要利用

象 在量 子力 学 中微 观 粒 子 是 指 具 有 波 粒 二 象 性 的

物质

。

量 子 纠缠 效 应 以 实 现 反 克 隆 但 由 于 潜 在 效 率 的耗 散 现 象 的 存 在 会 降低 纠 缠 程 度

。

量子 纠缠 是指 量 子体 系不仅 能处 于一 系列 的

,

因而如何提纯高品

稳定状 态 定 态

也 可 以 处 于 它 们 的叠 加 态 中 或 者

, ,

质 的量 子 纠 缠 态 是 目前 量 子 通 信 研 究 中 的 重 要 课

说粒 子 以 这 样 一 种 方 式 藕 合 在 一 起 以 致 整 个 体 系

不 再 能 够 用 其 组 成 成 分 的 各 自状 态 来 描 述

。

题

信

。

如果测

,

量 子 通信 是指 基 于 对信 息进行 完全传 输 的通

。

量处 于叠加 态 原 子 的某 种 物 理 属 性 如 能 量

,

得到

。

该 系 统 的基 本 部 件 包 括 量 子 态 发 生 器 量 子 通

。

、

的是 叠 加 态 中所 有 可 能 的 能 量 值 中 的 某 一 个 值

也

道 和量子测量装置 量子 而分为两 类

。

按 其 所 传 输 的信 息 是 经 典 还 是

,

就是说 有 时 得 到 的 是 这 一 个 值 有 时 得 到 的是 另 一

前 者 主 要 用 于 量 子 密 钥 的传 输

现 代物理知识

后 者则 可 用 于 量 子 隐形 传 送 和 量 子 纠 缠 的 分 发

“

。

所

,

成 为 量 子 计算 机 的基 础

二

、

。

谓 隐 形 传 送 指 的是 脱 离 实 物 的 一 种 完 全 的 信 息 传

送

。

”

子计 算机

隐 形 传 送 的过 程 是 先 提 取 原 物 的 所 有 信 息 然

, ,

量子 计算 机是 一 类 遵 循 量 子 力 学 规 律 进 行 高速

后将这些 信息传送 到 接 收地 点 接 收 者 依 据 这 些 信

数 学 和 逻 辑 运 算 存 储 及 处 理 量 子 信息 的物 理 装 置

,

、

。

息 选 取 与 构 成 原 物 完 全 相 同 的基 本 单 元 制 造 出 原 物完美 的复制 品 年

,

,

当某 个 装 置 处 理 和 计 算 的 是 量 子 信 息 运

行 的 是 量 子算法 时 它就 是 量 子计 算 机

,

。

。

量 子 计 算 机 的概 念

。

位 来 自不 同 国 家 的科 学 家 提 出 了 利

, ,

源 于 对 可 逆 计 算 机 的研 究

,

。

研 究 可 逆 计 算 机 的 目的

,

用 经 典 与 量 子 相 结 合 的 方 法 实 现 量 子 隐形 传 送 的 方

是 为 了解 决 计 算 机 中 的 能 耗 问题

案 将 某 个 粒 子 的 未 知 量 子 态 传 送 到 另 一 个地 方 把 另一 个 粒 子 制 备 到 该 量 子 态 上 而 原 来 的 粒 子 仍 留 在原处

。

,

在经 典计算 机 中 基 本信息单位 为 比特 运算 对

象 是 各 种 比特 序 列

。

经典 计 算机 从 物 理 上 可 以 被描

,

其 基 本 思 想 是 将 原 物 的信 息 分 成 经 典 信

,

述 为对输人 信号 序 列 按 一 定 算 法 进 行 变 换 的 机 器

息 和 量 子 信 息 两 部 分 它 们 分 别 经 由经 典 通 道 和 量

子 通 道 传送 给接 收 者

。

其 算 法 由 计 算 机 的 内 部 逻 辑 电路 来 实 现

息单元是 量子 比特 列

。

,

。

经典信息是发送 者 对原物进

,

量子计算机是 以 量子态作 为信息 的载体 其信

,

行某种 测量 而获 得 的 量 子 信 息 是 发 送 者 在 测 量 中 未 提 取 的其 余 信 息 接 收 者 在 获 得 这 两 种 信 息 后 就

可 以 制 备 出 原 物 量 子 态 的完 全 复 制 品

,

,

运算对象是量子 比特序

,

、

量 子 比 特 是 两个 正 交 量 子 态 的任 意 叠 加 态 从

。

。

该 过 程 中传

。

而 实现 了信 息 的量子化

、

、 、

人 们 已 提 出 了用 光 子 电

。

送 的仅仅 是原 物 的 量 子 态 而 不 是 原 物 本 身

,

发送

子 原 子 离 子 量 子 点 核 自旋 以 及 超 导 体 中 的 库

、

者甚 至 可 以对 这 个 量 子 态 一 无 所 知 而 接 收 者 是 将 别 的粒 子 处 于 原 物 的 量 子 态 上

。

拍 对 等 物 理 系 统 作 为 量 子 比特 的方 案

而 且 还 可 以 处 于 纠缠 态 上 奇 特 的性 质 出计 算 结 果

,

特别是 量

,

,

在 这 个方 案 中 纠

。

,

子 比特 序 列 不但 可 以 处 于各 种 正 交 态 的叠 加 态 上

。

, ,

缠 态 的 非 定 域 性 起 着 至 关 重 要 的作 用

,

在量子力学

,

,

这 些 特殊 的量 子 态 不

,

中能 够 以 这 样 的 方 式 制 备 两 个 粒 子 态 在 它 们 之 间 的关联不 能 被 经 典 地解 释 这 样 的 态就 是 纠缠 态 量 子 纠 缠 指 的 正 是 两 个 或 多 个 量 子 系 统 之 间 的非 定 域 非经典 的关联

,

仅 提 供 了量 子 并 行 计 算 的 可 能 而且 还 将 带 来 许 多

。

与经典计 算 机 不 同 量 子 计算 机 可 以

, ,

做 任 意 的 么正 变 换 在 得 到 输 出 态 后 进 行 测 量 得

。

。

量 子 隐形传送 可 以 用 量 子 态 作 为信

,

因此 量

子 计 算 对 经典 计 算 作 了极 大

,

,

息 载 体 通 过 量 子 态 的传 送 完 成 大 容量信 息 的 传 输 实现 原则 上 不 可 破 译 的 量 子 保 密 通 信

,

的扩充 在数学形 式 上 经 典 计算 可 看 做 是 一 类 特

。

可 以说 量

,

殊 的量 子 计 算

, ,

。

量子计算机对每一个叠加分量进

, ,

子 通 信 的重 点 在 于 完 全 传 输 量 子 纠 缠 的 信 息

,

。

行 变换 所有 这 些 变 换 同时 完 成 并 按 一 定 的概 率

幅叠加起来 给 出结 果 这 种 计 算 称 做 量 子 并 行 计

年 在 奥 地 利 留学 的 中 国 青 年 学 者 潘 建 伟 与 荷 兰 学 者波密斯特 等人 合 作 首 次 实 现 了 未 知 量 子 态 的远

程传输

。

算

。

除 了进 行 并 行 计 算 外 量 子 计算 机 的另 一 重 要

,

,

这 是 国际 上 首次在 实验上成功地将一个 量

。

用 途 是 模 拟 量 子 系统 这 项 工 作 是 经 典 计 算 机 无 法

子 态 从 甲 地 的光 子 传 送 到 乙 地 的 光 子 上

实验 中 传

胜任的

,

。

输 的只 是表 达量 子 信 息 的 状 态

光子本身并不 被传输 突破

。 。

,

“

”

,

作 为信息 载 体 的

由此 可 见 量 子 计 算 对 经 典 计 算 作 了 极 大 的 扩 充 经典 计算 是 一 类 特 殊 的 量 子 计 算 本 质 的特 征 为量子 叠加性 和 相 干性

,

,

最 近 潘 建 伟 及 其 合作 者 在

。

量子计算最

,

如 何 提 纯 高 品 质 的 量 子 纠 缠 态 的 研 究 中又 取 得 了 新

。

量 子计算机 对

最 近 潘 建 伟 等 人 发 现 了利 用 现 有 技 术 在 实 验

,

每一 个叠 加 分量 实 现 的 变 换 相 当 于 一 种 经 典 计算

上可 行 的量 子纠 缠 态 纯 化 的理 论 方 案 原 则 上 解 决

了 目前 在 远 距 离 量 子 通 信 中 的根 本 问 题

,

所有 这些 经典计 算 同 时 完 成 并 按 一 定 的概 率振 幅

。

这项研究

“

叠 加 起 来 给 出 量 子计 算 机 的输 出结 果

,

。

这种计算

成 果 受 到 国 际 科 学 界 的 高度 评 价 被 称 为 远 距 离 量 子通 信研究 的一 个 飞 跃

,

称 为量 子 并 行计 算

,

。

量 子 并 行 处 理 大 大提 高 了 量 子

” 。

计算 机 的效 率 使 得 其 可 以 完 成 经 典 计 算 机 无 法 完

,

量 子 纠 缠 态 还 可 用 来 制 备 光 场 量 子 态 两 个子 系统 通 过 相 互 作 用 即 经 历 一 个 么 正 变 换 过 程 后 可

以 产 生 纠 缠 从 而 提 供 所 需 的量 子 态

,

成 的工作

三

、

。

量 子 纠 缠 及 相 干性 在 所 有 的量 子 超 快 速

。

算 法 中得 到 了 本 质 性 的利 用

。

子计算 的困难及 其克服途径 量 子计算 的优越 性 主要 体现 在 量子并 行处理

量 子 纠缠 态不 仅 已经 应 用 于 量 子 信息 系 统 也

卷

,

期

总

期

辛 激发 茸澎夸描详谬与重离子 瞬以 应 鸽毅的侧童

王

琦

董玉 川

李松 林

兰州

田 文栋

。 沉幻

中 国科 学 院 近 代 物 理 研 究 所

量 子 力 学 的 建 立 与 相 对 论 的提 出 是

,

,

世纪物 有趣 的是

,

,

想 形 象 地 说 明量 子 力 学 的 基 本 原 理 而 且 想 袒 露 他

,

理学 最 伟 大 的成 就 它 们 构 成 了 现 代 科 学 的 理 论 基

础 也 是 当代 人 类 物 质 文 明 的 理 论 基 础

,

对量 子理论 的疑 惑

。

我们 知 道 放射性 元 素 中的原

, ,

。

子不 是 在 某一 特 定 的 时 间点 蜕 变 而 是 以 某 种 概 率 在 某 一 特 定 的 时 间 段 内发 生 蜕 变

,

一方 面量 子 理论 已 经 为无 数 的 实 验 事 实 所 证 实 到

目前 为 止 甚 至 还 找 不 到 一 个 与 它 的 预 言 相 悖 的 实 际

。

换句话说 一个

,

特 定 的原 子 的蜕 变 在 时 间 上 是 不 能 准 确 预 报 的

、

、

。

量

,

事 例 另 一 方 面 量 子 力 学 的基 本 概 念 又 与 人 们 对 现 实 宏 观世 界 的传统 认 知极 不 协 调 上是对量子理论 的根 基 的质 疑 议一天也没有 停 止 过

,

,

子理 论 认 为 无 论 是 粒 子 光 力 还 是 整个 世 界 都

,

。

这种不协调实质

,

具 有 这 种 不 确 定 因素

,

。

一 个 粒 子 可 以 同 时分 布在 几

,

。

所 以 从量子力学

,

个 不 同的位 置 一 道 光 可 以 在 这 里 而 同时又 在另 一 个 地 方 它 们相 互 之 间能 够 以 超 过 光 速 的速度 沟通 即使 真 空 中 也 存 在 许 许 多 多 这 种 不 确 定 的 微 粒 和 波

。

诞生 前后 一 直 到 现 在 的 近 百 年 间 对 量 子 理 论 的 争

。

其 中 最 著 名 的议 题 之 一 就

,

是 所 谓 的薛 定 谬 猫 佯 谬 定愕猫

。

。

对 笼 子 里 的猫 来 说 因 为 没 有 人 知 道 原 子 蜕 变

,

,

年 薛定愕提 出 了一个思想实验 人称薛

,

的准 确 时 间 所 以 外 面 的 观 察 者 也 没 有 人 知 道 里 面 的猫 此 时 此 刻 是 活 着 还 是 已 经 死 了

,

他设想 有 一 只 猫 被 关 在 一 个 笼 子 里 这 个

,

,

。

从某种 意义上

,

笼子里 有 一 个毒 药 瓶 瓶 的 开 关 由一 个 放 射 性 原 子 装置控制

, ,

说 这 只猫 生 与死 并 存 或 两 者都 无 从 谈 起 它 处 于

,

。

当这 个 装 置 中 的 原 子 处 于 激 发 态 时 瓶

,

, ,

一 种 介 于 生 与 死 之 间 的混 合 状 态 之 中

,

。

而在 现实 的

。

子关 闭 猫 是 活 的 当 原 子 跃 迁 到 基 态 时 伴 随 有 光 子释放 毒 药瓶被 打开 猫立 即被毒死

少

。

。

宏观世 界 中 猫 非死 即活 两者必 居其一

,

, ,

猫是活

,

薛定 愕用 下 十

的 猫 也 是死 的 显 然 有 悖 于 我 们 日常 的生 活 经 验

列 波 函数来描

述 这个 猫 与 原 子组 成 的复合体 系

活猫

。

’

令人难 以接受

、

。

个

月 死猫

’

哥 本 哈 根 学 派 的解 释 是 一 旦 进 行 测 量 这 种 奇

, ,

川

二

特 的 既模糊 又 不 确定 的世界 顿 时就会转变 为我们

,

其中 率

,

,

。

’

表 示 原 子处 于 激发态 且猫是 活着 的概

,

习 以 为 常 的 确定 的可 知 世 界 而进 行 测 量 非 得 采 用

,

、

川 表示 原 子 处 于 基 态 且 猫 是 死 的 概 率 这 个

。

’

宏 观 的测 量 仪 器 不 可 这 种 遵 循 经 典 物 理 学 定 律 的 仪器 破坏 了量 子 状 态 的叠 加 它 使 得 量 子 状 态 塌

, ,

,

波 函 数 表 示 猫 处 于 不 死 不 活 的状 态

薛 定 谬 用 他 描 绘 的 介 于 生 与 死 之 间 的猫 不 仅

公户‘ 产

,

,

缩

汤

妄小 ‘

。

这 时 量 子物理靠拢 经典物 理 微 观世 界 过渡 到

小

,

,

‘声

‘ 声‘ ‘ 产

口户

‘ 声盏 ‘

户 之夕

‘

必含 弋 , 小 嘴 , 备 心产 父 二 义

产父 ,

小 ‘ 小唱 , 盏兮

沪侣产

,

‘ 声‘ ‘

户

‘‘必

‘ 产‘

炉户

‘

夕‘

洛 盏 吩户

‘

产

‘ 备‘ ‘‘小

、

梦 备 心 夕知‘ 户

夕户

,

户 夕户

、

‘

产 梦翻 沂 心产 , 户

。

,

、

‘户

‘ 岁 泛 吩 户‘ 产 , 户 父 产

上 无 论 是 量 子 并 行 计算 还 是 量 子 模 拟 都本 质性 地

算 结 果 出错 这 就 是 量 子 错 误

,

因 此 有 效 地 保持 量

利 用 了量 子 相 干 性 即 量 子 纠 缠 态 的 有 效 保 持

,

,

。

失

。

子 纠缠 态 及相 干性 是 量 子计算机进 行 可靠 的量子 运

去 了量 子 相 干 性 量 子 计 算 的 优 越 性 就 消 失 殆 尽

算 的基本 保证

。

但 在 实 际 系统 中 量 子 相 干 性 却 很 难 保 持

,

。

消相 干

,

量 子 信 息 学 的发 展 方 兴 未 艾 最 突 出 的特 点 是

,

即量 子 相 干 性 的 衰 减 主 要 源 于 系 统 和 外 界 环 境 的

量 子 物理 学 的 原 理 和 计 算 机 科 学 的 交 融 和 相 互 促 进 更 多 的有 如 量 子 纠 缠 这 样 的 量 子 效 应 也 会 成 为 当 代 人 们 耳 熟 能 详 的名 词

,

祸合

。

因 为在 量 子 计 算 机 中 执 行 运 算 的 量 子 比 特

, , ,

不是 一个 孤立 系统 它 会 与外 部 环境 发生 相互作用

。

人类 也将更 加积极地 致

其作 用结果 即导 致 消相 干

的指 数 衰 减 不 可 避 免

・ ・

。

有 研 究 表 明量 子 相 干 性

力 于量子技术 的开 发 推 动科 学 和 技 术 更 迅 速 地 发 展

。

。

一 旦 相 干 性 丢 失 就 会 引起 运

现 代 物 理 知识