量子力学佯谬及第二次量子革命
|作者:薛鹏
(北京计算科学研究中心)
本文选自《物理》2022年第12期
摘要 文章介绍了三个著名的量子力学佯谬,分别是有关量子力学与定域实在性、语境实在性,以及宏观实在性三者之间的关系。这三个佯谬对应三个思想实验,后来又发展出由隐变量理论和实在性推导出的不等式,这些不等式可以定量地判断量子力学和这些实在性之间的关系,使得纠缠等量子力学特性成为可以被真实探测和利用的资源,被广泛应用于量子保密通信、量子隐形传态、量子计算等任务中。量子信息理论的出现,进一步带动了量子通信、量子计算和量子传感等高新技术领域的产生和发展,开启了“第二次量子革命”。
关键词 贝尔不等式,EPR佯谬,薛定谔的猫,量子革命
1 引 言
2022年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽(John F. Clauser)和奥地利物理学家安东·塞林格(Anton Zeilinger),如图1所示。早在2010年,这三位物理学家“因其在量子物理学基础上的基本概念和实验贡献,特别是一系列日益复杂的贝尔不等式验证”,而获得沃尔夫奖(Wolf Prize)。沃尔夫奖也被认为是诺贝尔奖的风向标。他们利用纠缠光子,实验验证了贝尔不等式在微观世界中不成立,证明了量子力学的完备性,引领并推动了量子信息这一学科的发展。因此他们获得诺贝尔物理学奖也是众望所归。
图1 2022年诺贝尔物理学奖获得者:阿兰·阿斯佩、约翰·弗朗西斯·克劳泽和安东·塞林格
在介绍他们的工作之前,我们先来看看他们工作的动机——量子力学的“佯谬”。理查德·费曼曾经说过,量子力学的精妙之处在于采用了几率幅——波函数。引入几率幅之后,量子测量引起态的坍缩、量子叠加、量子干涉等这些很难理解的概念变得可以被量化,可以通过薛定谔方程等求解了。所以量子力学的奇异特性源于几率幅,但是百年来争论不休的焦点也在于几率幅的使用。
所谓佯谬指的是基于一个理论的命题,推出了一个和事实不符合的结果。它在科学中是普遍存在的。并且研究佯谬,可以增强科学认识能力,活跃思维,引导人们不断深入探讨自然界的奥秘。然而,如果人们能在实验上证实这个结果确实是对的,此时佯谬就变成合理的量子力学特性。而如果实验能否定这个结果的真实性,此佯谬将导致对量子力学的某种修正。
本文将介绍三个著名的量子力学的佯谬。其中一个就是跟今年的诺贝尔物理学奖密切相关的EPR佯谬[1],是有关量子力学和定域实在论之间的关系。第二个是互文性[2],也被称为上下文关系,是有关量子力学和语境实在性之间的关系。最后一个是著名的薛定谔的猫的思想实验[3],是有关量子力学与宏观实在性之间的关系。这三个佯谬对应三个思想实验,后来又发展出由隐变量理论和实在性推导出的三个不等式,这些不等式可以定量地判断量子力学和实在性之间的关系。
2 量子力学佯谬
图2 EPR思想实验示意图
图3 CHSH实验示意图
图4 John F. Clauser的贝尔实验示意图
图6 Anton Zeilinger的贝尔实验示意图
图7 不对称贝尔实验 (a) 实验装置;(b) 纠缠与非定域性之间的反常关系,横轴表示纠缠强度,纵轴表示非定域性大小
图8 互文性的实验测量装置示意图。其中APD是单光子探测器
图9 薛定谔的猫
基于这两个宏观实在性的假设,是无法看到薛定谔量子猫的[28]。
图10 LG不等式是一种描述时间关联性的不等式
图11 LG不等式实验测量结果(a)和装置示意图(b)。其中,SPDC表示自发参量下转换,H表示半波片,BD表示光束偏移器,D表示单光子探测器,U表示幺正演化
图12 互文性与非定域性单婚性关系测试装置图
图13 (a),(b) 选取的测量方向;(c)实验结果:互文性与非定域性表现出此消彼长的关系
3 第二次量子革命
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