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量子体系的相干性究竟有多重要?

已有 1860 次阅读 2019-7-9 10:32 |个人分类:量子力学|系统分类:科普集锦| 量子力学, 相干性

相干性来自于波动性,有波动才有相干。中文“相干”的意思就是相关,指两个物理量之间存在一定的关联。当然只有随时间或空间变化的物理量,才可以讨论关联。对于变化的物理量,比如场量,或其它波动的物理量,如果它们之间的变化同步,也就是存在比较固定的相位差,就叫做相干。“相干”也可以理解为可以互相干涉,产生干涉效应。

一般情况下,两个物理量,或者两列波,不一定完全相干,可以只在一定的空间或者时间范围内相干,超过范围相干消失。一般是环境影响,信号衰减,非线性作用,等原因引起的。

一列波,自己与自己总是完美相干的。但是在一般情况下,波不会是理想的,随着传播或者时间的推移,会衰减,色散,等,变得与原始波源不再相干,相干性消失。这一过程叫做退相干 (decoherence)。

在量子力学中,相干性是量子体系最重要的性质,没有之一。但这一点在教科书中很少出现。一般教科书中,是从薛定谔方程开始的,也就是把薛定谔方程当成量子力学最重要的基础。但是,薛定谔方程的推导假定了物质波是单色平面波,也就是假定了量子体系是理想相干的。所以说,量子体系的理想相干性,才是量子力学最重要的假定。

量子的相干性,或者说,粒子的行为必须像波(波动性),是一切量子效应的基础,比如能量量子化,零点能,隧穿效应,等等。所以可以说,微观粒子的量子性,就是它的相干性。量子体系的所有奇怪现象,都来自它的相干性,包括双缝干涉,“量子纠缠”,延迟选择,“意识决定实在”(这里有意识和实在的定义问题),等等。注意,即使很多专业人士,也没有意识到这一点,由此产生大量伪科学论断,包括“意识决定实在”,并在社会上造成认知混乱,如“量子纠缠针灸疗法”。

相干性即粒子的波动性。相干性是否满足,代表了薛定谔方程波函数描述是否有效。

薛定谔方程是一个波动方程,含有代表波的相位。但一般我们把量子态的相位当成一个任意因子(定态),不关心它。即使在含时过程中,对于非相对论过程,我们一般也采用绝热近似,不关心态的相位。只有一些特殊情况下,比如几何相位,我们才会考虑它。所以,一般来说,我们在求解薛定谔方程的时候,只关心它的几率幅(波函数的空间分布),而忘了它其实是波。也就是说,在平常的量子力学语境中,我们忽略了一个最重要的事实,即,所有的量子态都是波。

传统的波动现象,如声波、电磁波,波并不是理想的。存在复杂的非线性、波波相互作用、色散、衰减,等等。但是非相对论薛定谔方程描述的波是极端理想的波,不存在这些复杂作用,并且波的传播速度无穷大。当然这不是真实的。在一般应用场合下,这种明显不真实的近似也足以解决大部分问题。

但是理想的相干性并不是一个先验的必然满足的条件。在真实的物理过程中,相干性不能完全保证。

相干性是薛定谔方程成立的条件。如果没有相干性,就退化到经典的粒子描述,不再是波了,也就不能再用薛定谔方程,所有的量子性质失效。量子态到经典态的过渡过程,就是相干性的消失过程。

在真实的物理过程中,应用量子理论,如矩阵力学,波动力学,叠加性,等,必须保证体系的完美相干性。也就是说,物质波必须是理想的。

这正是量子信息包括量子计算研究面对的最大困难。在相干性不能保证的情况下,基于非相对论量子力学线性理论的推导是没有意义的。




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