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[转载]量子信息——从概率说起

已有 424 次阅读 2019-12-23 16:43 |个人分类:量子信息|系统分类:科研笔记| 量子信息, 量子力学, 概率 |文章来源:转载

从概率说起


施郁



在最近一些年,量子信息的研究得到了很多发展。量子信息指利用量子力学的基本原理进行信息处理,包括量子通信、量子计算,等等。量子通信又包括量子密码、量子隐形传态,等等。量子隐形传态和量子计算都基于量子纠缠。而量子纠缠是量子力学中的一个基本概念。为了了解量子信息,我们需要先了解量子力学。


为了解释什么是量子力学,我们先从经典物理说起。


经典物理包括以牛顿三大定律为核心的牛顿力学(或称经典力学),以及以麦克斯韦方程组为核心的经典电动力学(或称电磁学)。对于速度接近光速,以及强引力场情况,还要考虑狭义及广义相对论,但是相对于量子力学而言,它们仍然属于经典物理的范畴。


在经典物理中,每个物理量,比如位置、动量、角动量、电场强度、电流,等等,在每个时刻都有明确的取值,都是一个客观实在。而它们随时间变化的情况就是动力学,由牛顿力学及经典电动力学的基本定律决定。只要知道某个时刻的物理量的值,就可以从动力学得到其它任意时刻的取值。因此本质上经典物理是决定论的


经典物理里也有概率,但这是一种粗粒化描述。在我们不了解或者无法控制细节时,考虑各种可能性,从而得到一个概率分布。比如掷骰子。


骰子的运动其实是一个决定论的过程,没有本质上的随机性如果了解它的力学细节,比如质量分布、初始位置、方位、速度、整个下落过程中的受力情况等等,其实是可以预言最后哪一面朝上的。当然,在实际中一般做不到这一点。如果对于各种细节情况作个平均,我们就可以预言:“如果投掷N次,其中每一面朝上的次数大约N/6次”。也就是说,每一面朝上的概率大概是1/6。



不过我们也经常有这样的情况:即细节描述不但不可能,而且没有必要,而概率描述更抓住问题的本质


比如一团气体在给定温度下,各种微观状态有一个概率分布,由此可以得到给定温度下的宏观性质,比如平均总能量、压强等等。这就是统计物理


基于经典力学的经典统计物理中的概率抓住了问题的本质,但这种概率和骰子类似,不是实质性的,也就是说,微观细节仍然是服从经典物理的决定论过程


那么,什么样的概率是实质性的,也就是说背后没有决定论的过程?答案就是量子力学中的概率


来源:施郁.揭秘量子密码、量子纠缠与量子隐形传态,自然杂志,2016年38卷4期,241-247.




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