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量子纠缠:一个学术难题和科学疑谜 黄志洵 文章第二部分

已有 688 次阅读 2023-8-28 17:15 |个人分类:量子力学|系统分类:论文交流

9  量子力学的Copenhagen诠释品评

物理学史书籍告诉我们,所谓量子力学的Copenhagen诠释(Copenhagen interpretation, CI)主要包含三个方面:Max Born波函数几率解释;Werner Heisenberg的测不准关系式;Niel Bohr互补原理。对此,历史上著名的Bohr-Einstein论战,发生在192710月召开的第5Solvy会议上,在后来的第6Solvy会议上达到高潮。……这方面的事情为什么现在又要提起?因为当代量子通信技术的发展引发了争论,以致有物理学家旧事重提,认为QMCopenhagen诠释“即使在今天也是有问题的,Einstein并不为错”。一些学者逻辑地由此得出结论说:“量子通信是根缺乏物理基础的东西。”既然地基都不行,盖的房子肯定有问题。这样一来,讨论和思考就把人们又带回到1927年那个时期。

有一种说法认为,Einstein不是反对QM,而是反对QMCopenhagen诠释;我不同意这种说法。因为这个QM的诠释主要来自BohrBornHeisenberg三人,而他们的理论正是QM的主要内容。在者看来,反对QM与反对QMCopenhagen诠释在质上是一致的虽然大多数物理学家都肯定M.BornW.Heisenberg的成就,但在Einstein那里,这二人的工作都招致反感——他认为BornHeisenberg的工作都“脱离了正常的道路”。他相信客观世界是确定性的;例如通过云室能清晰地看见径迹,就不应该不考虑其轨道。总之,Einstein192710月的第5Solvy会议上明确说:“不接受确定性原理”。他还反对把量子力学看作单个过程的完备理论,因为它可能出现超距作用。Einstein说,他不把de Broglie-Schödinger波看成单个粒子,而是当作分布在空间的粒子系综。实际上,Einstein是把波动看成大量粒子的平均行为。1934322日,Einstein在致函Born时再次表示反对几率诠释。

1948Einstein在《辩证法》杂志上发表的文章“量子力学与实在”,可以看作是他在晚年的表态虽然他承认量子力学是“标志物理知识的重大进步,甚至是决定性的进步”,但又坚持说“量子力学方法根本不能令人满意”。这种态度矛盾的声明一方面是由于QM的深刻性和应用的广泛性已使他无法再否定其意义,但又不甘心承认自己在学术见解上错了。因此,不认为Einstein在晚年改变了反对QM的态度。但有人至今还说相对论SRGR)可以与QM相结合,这岂不荒谬可笑?……在Einstein发表上述文章的20多年后,两位大师级的物理学家的评论发人深省——已到晚年的P.Driac说“要使相对论和量子力学一致起来是存在真正的困难”;S.Weinberg则说“理论物理学有大问题,例如Lorentz不变性的要求根本不是QM能够满足的”。应当说,这二人的表述非常清楚确。

QM出现的1926~1927年,狭义相对论SR)的提出间隔了21~22年,广义相对论GR)的提出间隔是11~12。可以说,相对论一方面成就了Einstein的巨大威望,同时又使他趋于保守;这是令人遗憾的。

QMCopenhagen学派的形成有一个过程[22]1912年春N.Bohr到英国物理学家D.Rutherford处工作,同年回到Copenhagen后不断思考氢原子线光谱的实验规律;1913Bohr提出原子中电子绕核公转的量子化轨道运动理论,又提出两个新概念——光辐射或吸收是原子中发生量子跃迁的结果及电子公转时的角动量量子化,证明Bohr是一位十分出色的创新型科学家。1916BohrCopenhagen大学理论物理教授;1920年他创建理论物理研究所,欧洲多国学者来所工作。1922W.Paul1924W.Heisenberg进入该所是标志性事件,他们都是著名的A.Sommerfeld的学生。此外,来到Bohr这里做研究的还有P.DriacP.EhrenfestL.BrillouinL.LandauG.Gamov等人,如所周知他们都在后来做出过重大贡献。当然,根本点在于Bohr领导下的人们(特别是HeisenbergM.Born等)提出了新的理论系统——量子力学(QM),其独特的数学表达方式和物理思维方式与经典物理截然不同,其确性逐步被证明;这才使Copenhagen学派名声大噪,有许多仰慕者和追随者。

Copenhagen学派的领军人物是N.Bohr,反对派的领军人物是A.Einstein。当QM问世时,Einstein47岁,是一位饮誉世界的科学家——因为他的相对论,也因为他用光子学说解释了电效应而Nobel物理奖。Einstein在推导光子的理论表述时是用经典物理,他却能参考Planck量子论完成了对光子的推导,是革命性的工作。但在QM出现他却坚持反对;直到1955年去世,态度未变。

为加深理解,提出一个式:

QMCI+SE+DE                                 

上式左端的QM代表构成量子力学的全部内容;右端:CI代表Copenhagen诠释的主要内容(BohrHeisenbergBorn),SE代表Schödinger量子波方程,DE代表Driac量子波方程。

SEQM的核心理论之一,重要性相当于经典物理中的Newton运动方程。它对自然现象有预言能力,应用广泛。但Schrödinger把全部热情放在波动上;按照de BroglieSchrödinger的思想,运动粒子速度与波包的群速相同,故他们的理论暗示波包和粒子是一回事。这样看待微观粒子与相应波动的关系夸大了波的地位,是错误的。我们从非对论性自由粒子出发作简单推导;

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正是Bohr指出波传输过程中波包会“发胖”,而粒子却有无可置疑的稳定性,故简单地把粒子看成波包说不通。尽管如此,Schrödinger不接受CI的“波粒二象性”和“波函数坍缩”。据说,是Einstein鼓励他设计一个思维实验来反驳CI。在1935年的文章(Naturwissenchaften, 1935, Vol. 23, 807823844),Schrödinger提出了所谓“Schrödinger猫态”的悖论——假设有这样一种装置,用原子的衰变来触发小锤,将装有毒气的小瓶砸破,小瓶释放毒气把猫毒死。其中原子的衰变是随机的量子事件。问题是,原子的衰变是多种状态的叠加,称为叠加态,这意味着猫同时处于死与活的状态。一旦进行测量,量子叠加态就会被破坏。也就是说,一旦我们打开盒子查看结果,猫就只会处于一种状态,即要么活着,要么死了。但这并不意味着打开盒子之前猫就已经处于这种状态——在观测前,猫处于“生死叠加”状态,是荒唐的。一个同时处于两种状态量子系统决定了猫的生死。这个实验表明,量子理论和人们的直觉相违背。Schrödinger猫佯谬对Copenhagen学派是一个打击,因为猫不可能是“既死又活”的[15]

但是Schrödinger设想的思维实验有一个前提:波函数可描写宏观物体(包括生物体),而这一点却缺乏证明。然而这个“猫佯谬”的讨论并非没有价值,它与同年(1935年)发表的EPR论文有内在的联系。EPR讨论的复合体系(二粒子体系)的不可分离状态其实就是纠缠态(entangled state),而这个词语正好出现在Schrödinger论文中,故纠缠态问题也称为Schrödinger猫佯谬。Schrödinger使用纠缠态一词是为了描写复合体系的不能表示为直积形式的叠加态,并思维实验说明:波函数几率诠释如用于宏观世界会得出荒谬的结论。

虽然Bohr互补原理应用广泛而不限于光的波粒二象性,但人们习惯于这个二象性问题来看待互补原理。“诠释”认为,无论有质量粒子或无质量粒子都有波粒二象性;它们有时呈现为粒子(有确定路径,但不产生干涉条纹),有时呈现为波(无确定路径,但产生干涉条纹)。这取决实验者如何观测,但不可能同时观察到两种属性,即不会掌握粒子路径的同时又出现干涉条纹。N.Bohr的互补原理大致上也是此意。然而在2014情况有了变化——波粒二象性研究的最新进展已证明[16],在同一干涉仪装置内安装两套好的测量装置(路径信息和干涉条纹探测器),分别完成不同功能,不干扰,以确方式协同作用,则可能同时观测粒子性和波动性。这就表示“绝不会同时观测到两种属性”的传统观念可能会被打破。中国学院物理所李志远研究员一直做“微观粒子波粒二象性及互补原理违背可能性”的研究。……不过,认为即使互补原理不完备也无损于把QM作为量子通信(QC)的物理基础。

 

10  量子通信与Wootters定理

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量子信息学代似乎突然来到人们身边,我们真的能象使用智能手机那样应用量子通信方式吗?许多人在问这个问题。既然“物理学家不懂通信、通信专家不懂量子物理”的情况大量存在,从事量子通信实验研究的人们就应当对自己的工作成果和国际上的动向作实事求是的说明,绝不能利用公众的无知作夸大宣传乃至误导。特别是不能宣传一种“量子神学”,使自己和别人都落入唯心主义的泥潭。例如,什么是“量子隐形传态”(原文为quantum teleportation)?说明和宣传时应当慎之又慎。简言之,量子通信(QC)必须以实践的结果来说明自身的存在性和意义,立论的根本点然还是其安全、保密的际效果,并拿出最关心通信保密的业界(如军方、银行业)已接受QC并取得良好效果的例子来,才能证明自己。很遗憾,目前似乎尚无这方面的消息。

量子通信为何保密性好?最通俗的解释是这样的[23]——Heisenberg不确定性原理(测不准关系式)造成下述情况,即当窃听者不知道发送方编码基时,无法准确测量获得量子态的信息;另外,量子态不可克隆原理(Wootters定理)使窃听者不能复制一份量子态以在得知编码基后测量,故窃听造成误码。这时通信双方知道被窃听了,随即停止通信。

在以上陈述中未提纠缠;际的量子通信系统多种多样,似乎直到2004年才用上纠缠光子于QC技术之中。故纠缠似非保密通信的必要条件。……总之,量子通信的研究者认为,是Heisenberg测不准原理和Wootters量子不可克隆定理保证了BB84协议的“无条件安全性”。假定保密者从量子信道截光子并作测量,而这种窃听行为会干扰量子态,从而使发、收端的操作者知觉有人窃听,便停止通信。保密者也可不作测量,而是复制出同样的(带有密码信息的)东西。然而1982W.Wootters[24]提出了“量子态不可克隆定理”,从而否定了该作法的可能性;这就维护了量子加密的权威性,被认为是不可破解的。这里引用中国科学院的一份文件的话——“量子密钥分发采用处于叠加态的单光子来确保相互远离的双方间的无条件安全性”。

Wootters定理的陈述为:“在量子力学中,不存在实现对一个未知量子态的精确复制这样一个物理过程,使得每个复制态与初始量子态完全相同并且说,利用状态空间的线性性质,可以简单证明在量子信息中非常著名的单量子态不可克隆定理。提出了两种证明方法:

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以上推导表明:成功率为1的量子克隆机只能克隆一对相互正交的量子态。即如果克隆过程可表示成一幺正演化,则幺正性要求两个态可以被相同的物理过程克隆,当且仅当它们相互正交,亦即非正交态不可克隆。

然而2018年梅晓春[25]给出了“量子态不可克隆定理不成立”的证明。文章说,在证明“量子态不可克隆定理”的原始论文中,Wootters首先假设任意一个量子态都是可以克隆的。然后定义了一个量子态克隆算符,推导出了另外一个量子态可以克隆的两个条件。一个是正交条件,另一个是非正交条件,即这两个量子态的乘积的积分等于零或等于1。满足这两个条件的量子态都是可以克隆的,不满足才不可克隆。因此根本就不存在量子态不可克隆的问题,而是什么样的量子态可以克隆的问题。研究还发现,对于一般的量子体系,可以有无穷多的量子态满足这两个条件,所谓的量子态不可克隆的说法是错误的。

此外,Wootters定义的量子态克隆算符有严重问题。将这个算符作用于一个被克隆的波函数,结果不变。将它作用于标准的纯态波函数,却可以将它变成被克隆的波函数。这样的结果显然自相矛盾,因为纯态波函数也是波函数,因此量子克隆算符在数学上不成立。

如梅、李文章的推导分析正确,“用量子通信可以无条件地获得绝对保密的说法即不成立。不过,有人认为、李文章中说“激光器可以大量克隆光子”是不对的,因为激光器虽利用受激辐射工作,但不可避免会自发发射,故不能说一定能克隆。他们认为量子态不可克隆是早有定论的。……对此事笔者另有看法——即使Wootters定理无懈可击,QC不可能“绝对保密”;否则,也不会2004年起采用诱骗态来构建QC系统了。

 

11  量子纠缠与量子通信[26-41]

现在我们要论述量子纠缠与量子通信(quantum communicationQC)的关系。虽然关于QC的正面宣传材料非常多,有关文献(论文、书)也很不少,但笔者感觉对于“什么是量子通信”这样的基本问题,似乎仍然缺少严格定义,从而造成了人们的疑问。例如有一种说法是:所谓“量子通信工程”主要是基于光子偏振态的量子密钥分发,搞的是量子加密而非量子通信。那么到底什么是量子通信?

许多材料的叙述都把QC归结为两个要点:一是利用量子态加载信息,二是使用量子力学原理保障通信安全(防止窃密)。这样说显得过于简单,我们挑选QC的主要方式作具体分析。表1是笔者选出的3种方式;表1中的量子隐形传态通信(QCUQT)虽列为一种方式,但它并不比量子密钥分发(QKD)更有优势。在笔者的印象中,虽然量子隐形传态(quantum teleportation)在科学实验领域常常耸人听闻,但并不是一种较成熟的公共通信方式(仍处在设计和讨论实现方案阶段)

1  量子通信的3种基本方式

开始

时间

   

通信方法的原理

安全保障方法

常用方案

1984

量子密钥分发

QKD

在收发方之间建立量子信道以传输密钥,作安全性检查。如确认已安全分发密钥,则用经典通道传送用量子密钥加密后的信息;故收发双方对密钥是共享的。

用基于单光子的方案来说明:把多个单光子一个一个地发送,在大量单光子完成QKD后抽选结果作比对以检查有无窃听;如无,把所传随机数作密钥;如有,放弃所传数据。

基于单光子的BB84协议;

如改用纠缠对,则为E91协议和BM92协议。

2002

量子安全直接通信

QSDC

通信双方以量子态为信息载体,使用量子信道直接传输信息,故无需产生量子密钥。由于传输的是信息本身,故提出了比QKD更高的要求,例如对量子数据作块状传输。这种通讯方式无加密解密过程,也不需要额外的经典信道。

用单光子方案说明:接收方先向发送方传送一个单光子序列,它们随机地处于4个量子态之一;发送者收到后随机地选部分光子作测量,把结果告知接收方以评估安全。

例如基于单光子的DL04协议;如用纠缠对,例如高效协议。

1993

量子隐形传态通信

QCUQT

预置一个EPR纠缠光子对,分发给发送方和接收方;在发送方将有信息光子与光子对之一进行Bell态测量,把结果发给接收方。接收方据之作相应的酉变换,以恢复发送方的信息;另外收发方共有1条经典信道。最终使未知量子态信息转移到接收方的纠缠光子上,实现量子态远程传送。

对此方式是否属于量子安全直接通信是有误解的,这是由于误认为纠缠本身已完成了安全分发。实际上,无论在自由空间或光纤中分发,都受限于传输中的衰减和噪声。可以采用纠缠纯化技术来改进。总之这并不比QKD能更好地达到量子通信的目标。

虽然自1997年以来不断有量子隐形传态的实验报道,但至今似乎尚缺乏明确的适用性协议。

 

量子密钥分发(QKD)既是最早的、也是最常用的QC方式。表1中已给出了QKD通信方法的原理,以及其保障安全的方法;对此可以作更通俗的解释——假设Alice(发送方)要与Bob(接收方)通信,Alice发出一个一个的光子,依靠光子极化状态以加载密钥信息;假设Eve企图窃听,这是一定会被发现的,复制和测量都会被察觉。一方面,Heisenberg不确定性原理造成Eve在不知Alice编码基情况下无法准确测量获得量子态的信息;另一方面,Wootters量子态不可克隆定理使Eve不能复制1份量子态在得知编码基后作测量,故Eve必有明显的误码。总之,AliceBob都会知道通信被窃听;这时即废掉原有密钥,双方另用新密钥。……由于仍然需要使用经典通道传送信息,这种QKD确实是一种量子加密技术,不象是量子通信。

但还有另一种方式:量子安全直接通信(QSDC);从表1所述情况看,它才是真正的量子通信,对此本文不作讨论。

近年来在国际上掀起了研究量子通信技术的热潮,卷入的国家有中国、奥地利、美国、加拿大、澳大利亚、俄罗斯等国,其中以中国投入力量最大,公开报道的成果最多。量子通信(quantum communication)和量子隐形传态(quantum teleportation)是两个相互联系而又不完全相同的概念,它们的表述方式、研究内容、研究方法是有区别的。但其理论基础都是量子纠态,而这是先有理论分析预言而后才有实验验证及应用的研究课题。近年来中国科技大学、清华大学等高校和科研单位的研究人员对量子通信的理论与技术开展了大量研究,其成果多数发表在国际名刊《Nature》、《Science》、《Phys. Rev. Lett.》之上,国内外媒体也作了广泛报道。中国的“墨子号”量子卫星的发射和实验更将这一热潮推高。……然而在国内外都有一些质疑声音;提出疑问的不仅有物理学家,还有通信专家和密码学家。

中国科学家潘建伟早年留学奥地利,导师是Anton Zelinger教授,他们师生研究量子纠缠态的理论、实验和应用,至今有20多年了。1997年,包含他们二人在内的团队首次实现了量子态的隐形传送,成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上,该成果被誉为量子信息实验领域的突破性进展。

潘从奥地利国国后成为中国科技大学教授,一直从事量子信息学的相关研究。他领导的研究组在《Nature》上多次发表论文。2011年潘成为中国科学院院士。20098月中科大在合肥市5个不同地点间进行了量子加密通话实验,组建的光量子电话网的核心部件,是他们独立研发的量子程控交换机和量子通信终端。为确保绝对安全,两人通话期间,密码机每时每刻都在产生密码,牢牢“锁”住语音信息而一旦通话结束,这串密码就会立即失效,不一次通话绝不重复使用。对此,美国《Science》杂志作了报道。正是在这一时期,中国科学院决定加大对潘建伟等中科大研究团队的支持力度。

随后,中国量子实验卫星于2016816月升空,潘为首席科学家。20176月《Science》发表的论文称,中国科学家取得了非常重要的进展。他们将量子纠缠分发的距离提高了一个数量级,由百公里级提高到千公里级,确切地说是1200公里,虽然在中国已拥有建立在城市间和机构间的地面量子通信网络,但无论通过光纤还是大气进行地面量子传输,都会有较大的信号衰减。解决这一问题的办法就是利用卫星向地面发射光子。……国外媒体评论说,虽然从理论上说纠缠光子不管跨越多长距离都能保持联系,但在现实中,往往很难在不破坏纠缠态的情况下分发光子对。如果能保持纠缠态,那么就能形成一个基本上无法拦截的信道,而现在是在千公里量级上实现了量子纠缠(中国青海德令哈站和云南丽江高美古站之间距为1203km)。潘建伟说,研究团队每晚只有5分钟的时间窗口,此时卫星轨道高度大约500公里,其信号能够同时被两个地面站接收。在卫星发射伊始,他们就已经能够实现每秒进行一次量子纠缠。他还说,目前主要的挑战是,如何在白天,光量子非常多的情况下,分辨并接收到量子卫星的信号,以实现量子通信。

2017929日,世界首条量子保密通信干线(京沪干线)开通。同日,它与墨子号卫星链接,形成了洲际量子保密通信线路。最后,20181月有报道说:研究人员对照片进行量子加密后,将它们成功地在北京和维也纳之间进行了传输,传输距离达到7600km接下来,两座城市的研究人员又举行了历时75分钟的视频会议,也是通过量子密钥进行加密。

以上是笔者根据媒体报道整理的大事记。然而,近年来对这些工作成果一直有质疑的声音存在。

先看理论层面有人认为量子力学(QM)不明白什么是物理实在,Einstein的局域实在性理论正确认为对后者的否定和对J. Bell理论的肯定都是愚蠢的,说量子纠态理论近乎魔术和巫术,根本不会有那种“鬼魅般的隔空作用”。因此,所谓非局域性远距离相关是谎言,超距作用不可能发生。量子隐形传态在数学上严格,物理上错误是伪科学,总之,认为量子通信的理论根据荒唐、错误,而说“隐形传态已成熟并可据之建设全球量子通信网”是弥天大谎。认为整个量子通信工程浪费巨大并有扩大之势,应立即停止。

其次,说量子纠缠态理论未获实验证实,仍是争议中的问题,因此在技术层面上的量子通信实验并未真正实现靠纠缠效应的信息隐秘传输,其实仍是传统的无线电收发.有一种看法认为,所谓量子卫星其实只是一个传统的激光通信卫星,它除算法外无新科技迄今为止对量子通信的基本优点总是说它的加密性极好,实际上不可窃听、无法破译。但正是在这个问题上提出了严重质疑。1982年国际上出现了“量子不可克隆定理”,认为单量子不可能被克隆。据此,量子密码可提供无法窃听、不可破译的通信系统。然而有人说该定理是错误的,误解了量子态叠加原理,例如若光子不可克隆就不会有激光器。另外,所谓量子加密无非就是可以在发现有人在侦听窃取信息的时候,能自动切断通讯,故目前是以牺牲通信效果(放弃稳定的通信)来换取信息安全,而在有窃听时并保证不了接收正确信息。有文章指出,“量子通信”概念始于BennettBrassard提出的BB84协议,该协议一直被称为量子密钥分发,实际上是利用量子态来协商临时密钥,得到的是普通的比特串,而不是某些人想象的量子比特串。很多从事量子密码研究的人士连密钥和密码都分不清严格说来,密钥是伪随机数,密码是算法。量子密钥就是利用量子态来协商伪随机数。……量子密码学立足于信息安全,从物理上剥夺了敌手窃取信息的能力。实际上信息安全与通信系统的稳定性不兼容有了敌手就干不成事的量子通信系统最终也只能沦为一个摆设。

我们罗列这些反面观点,并不是说国内大多数人(包括专家学者们)的主流意见都是反对量子通信,其至反对量子力学本身。例如,有网文说:“认为‘中国量子通信是精心谋划的骗局’是胡扯,量子通信技术门槛高,不懂、不了解是合理的但指控著名量子科学家是骗子就太过份了。科学研究允许质疑和反对,但要遵循学术规则。”

笔者认为,发表反对意见可以,但要实事求是。也有做得好的例子,如梅晓春写于2013年的文章“量子态隐形传输违背量子力学全同性原理”,有自己的理论分析和计算,给人以启迪。他说,全同性原理是量子力学的基本原理,它代表量子力学与经典力学最重要的差别之一,事实上微观粒子的干涉效应就直接与全同性原理有关。所谓全同性指粒子的质量、电荷、自旋量子数等内秉性质完全相同的粒子,微观系统由大量微观粒子组成,微观粒子可以分为玻色子和费米子。按照全同性原理,玻色子互相交换后波函数不变,费米子互相交换后波函数要改变一个负号。只所以做这样的区分,是由于实验证明两类粒子的统计性质是不一样的。如果不考虑全同性原理,量子统计就退化到经典统计。因此量子力学在构造波函数时,必须考虑全同对称性,否则计算结果就一定与实验不符的。“量子态隐形传输”理论最早由Bennet等在1993年提出,实验由潘建伟和Zelinger等在1997年进行。“量子态隐形传输”实验采用光子来传递信息,光子是玻色子,波函数应当是对交换对称的。然而奇怪的是,潘建伟和Zelinger等采用以下波函数描述光子23的状态:

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这个波函数对光子23的交换也是反对称的,因此“量子态隐形传输”理论从一开始就是错的。

另外Zelinger和潘建伟等对“量子态隐形传输”实验的解释也存在严重问题。为了使实验能被解读,他们实际上引入一个可称为“Bell基测量规则”的假设。但这个假设没有任何物理根据。为了自圆其说,人为地达到三光子符合计数的目的。按照这种逻辑,对称性的

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12  警惕新的“摧毁量子力学”的图谋

193551日,美国《纽约时报》在头版刊出了一条新闻:“Einstein攻击量子理论”(Einstein attacks quantum theory),副题是“科学家和两个同事发现,即使它是正确的,也是不完备的”(scientist and two colleagues find it is not complete even though correct)。美国第一大报就这样隆重地报道了EPR论文的发表。该文认为量子理论有致命的缺陷,相隔很远的粒子似乎能够瞬间相互作用,Einstein称之为“鬼魅似的远距作用”。然而后来的几十年中人们发现这种作用是真实的,它通过了每一次的实验测试。在最细微的尺度上,现实就像我们有关亚原子世界的最好理论显示的那么奇怪。

量子非局域性的本质就是超光速性,这是常识。由此出发做研究,有两个很好的榜样——理论方面是John Bell,实验方面是瑞士日内瓦大学的科研团队。本文已详述前者是在1965年至1985年期间摆脱相对论的桎梏的,导致Bell对超光速存在的肯定。后者则给出了对纠缠态传播速度的测量结果,是(104~107)。……尽管如此,时至今日却仍有人步EPR的后尘,巧借名义企图完成Einstein的未竟之业——摧毁QM。这是必须警惕的。

202331日,英国刊物《New Scientist》的一篇文章擂起了战鼓。该文一字不提2022Nobel物理学奖的颁发,一开始就说:

Einstein认为,量子理论肯定有某种问题。那种鬼魅感觉就是不对——肯定有什么我们没有看到的东西能解释这种现象。这种怪异不可能是真的”。

这是无视EPR论文早已惨败的事实的说法。这篇文章要把SR的核心理念(“不可能有超光速”)强加到QM的头上,为此目的搜罗了一些所谓的“新理论”。文章作者表面上是要“探讨量子理论的本质”,实际上是散布了许多要打倒基本量子力学(该文称为“常规量子力学”)的言论。但是,该文又不得不承认“Bell型测试”仍是不可或缺的方法,只不过不提及Bell的思想(1985年的声明)。文章对Einstein的错误毫无批评。

量子力学从诞生之日起,就不断受到怀疑、批评和压制。这突出地来自Einstein,他利用自己的理论以及个人拥有的巨大威望,一直企图把QM扼杀在摇篮里。如果不行,那么也不能让其自然生长,因为量子理论的发展,对相对论而言是一种威胁。这种包含私心的对QM的批判,在1935年达到了高潮。然而,历史的的发展却昭示了另外的情形——QM在理论深度和广度上不断前进,应用不断扩展,终于使世界进入了量子信息学(QIT)大发展的历史时期。这使我们想起一句谚语:“谁笑在最后,谁笑得最好!

当然,在这里我们并非说QM不可以批评,也不需要发展。例如,QM的一个基本方程是Schrödinger方程(SE)2016年黄志洵[42论述了非线性SE(NLSE)的形式及求解。又如,梅晓春[43] 2012年在《Jour. Mod. Phys.》上发表英文论文,提出“实算符量子力学”,他认为是对量子力学的重新改造,可称为新量子力学。所谓“实算符”不是指算符本身为实数,而是指用该算符作用于任意波函数,得到的都是实数。同时提出量子力学的位形空间全同多粒子系综解释,建立与现有量子力学有所区别的新量子力学。它解释了微观粒子自旋的本质,以及为什么Bell不等式的不到实验支持的原因……梅晓春写作此文的目的是使量子力学的逻辑基础更加完善,是值得欢迎的。

 

13  结束语

Bell定理是一种一般性的局域理论,里面带有隐含的补充参数。该定理假设量子力学是“不完备的”,而暂且保留Einstein的局域观。于是,我们似可假定有一种办法可以使量子力学对世界的描述变得完备,同时又能满足Einstein的要求——发生在A地的物理实在不能影响发生在B地的物理实在,除非B地收到A地发出的信号(根据SR两地间信号的传送速度不可能超过光速)。在这种情况下,要使该理论变完备就意味着发现其中的隐变量,并描述这些隐变量是如何决定粒子或光子的行为的(Einstein曾经猜想,相隔遥远的粒子之间的相互关联是由于它们的共同来源使它们带有一些局域的隐变量。)这些隐变量就好像一张张指令表(instruction sheet);粒子之间在没有直接关联的情况下,只要按照指令行动,就可以呈现出相关性。如果宇宙本质上是局域性的(也就是像Einstein所认为的那样,不存在超光速通讯或超光速效应),那么使量子力学完备所需要的信息必定是由某些预先设定好的隐变量来传达的。

但是到1985年,John Bell完全抛弃了这些看法。实际上,他既抛弃了EPR,也抛弃了SR。许多物理学家认为纠缠态违背了相对论的精神,因为在两个相互纠缠的粒子之间有“某种东西”(不管它究竟是什么),其传播速度确实超过了光速(甚至它的速度可能是无穷大的)J. Bell后来也持这种观点,这就是对超光速的肯定。

那么,量子信息科技的基础是什么当然是量子力学(QM)! 我们可以再问为什么有人至今还要千方百计打倒QM? 他们的仇恨从何而来?……不是的,他们不是仇恨QM,而是为了维护相对论。这也从反面证明,量子力学与相对论是矛盾的、对立的。例如SR的根本思想是光速极限论——既不可能有物体的超光速运动,又不可能有信息的超光速传播。然而,当今的航天实践不断地拷问SR的两条原理(光速不变、光速极限)是否真的成立。

美国NASA曾在1977年发射航天器《Traveler-2》,它飞出了太阳,至今仍在向宇宙深空飞行。202381日有报道说,NASA收到了它从距地球1.92×1010km处发回的信号,证明这个已经46岁的航天器还活着并仍在运行。但是,NASA的工程师想下达指令微调其天线的角度,但在这个距离上,信号单程传送需要18小时以上这生动地说明,对超光速的需求不是将来的事,而是在就需要。

那么,信息超光速传送有可能性吗这就引出了本文的主题。从理论上讲,量子非局域性就是超光速性从实验上讲,早已证明量子非局域性存在,例如量子纠缠的传送速度是(104~107),即光速的1万倍或1千万倍。问题是人类还未进步到会利用它,但这只是或迟或早的事。

过去在国际上有许多人认为相对论是西方科学的最高成就,这是错误的。相对论逻辑混乱、漏洞百出,令人难以信任。我们认为,如果要推选西方科学的最高成就,应当是Newton经典力学和多人建构的量子力学,它们的成功是人类智慧的胜利!

2022年的Nobel物理学奖的三位获得者,都是七、八十岁的老人了。这些科学家终于获得了可,明了量子学技术的强大影响,值得我们深思!

 

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Quantum Entanglement: An Academic Dilemma Scientific Mystery

 

 

Zhi-Xun Huang

Communication University of China, Beijing 100024

 

Abstract: Quantum information technology mainly includes quantum communication, quantum radar, quantum computer these three aspects, in recent years, rapid development, many countries invested heavily in development. The awarding of the Nobel Prize in Physics in 2022 to three scientists for their work in quantum informatics has further stimulated people's interest in quantum theory, which has been studied and discussed. This paper not only reviews the historical situation, but also thinks and innovates in theory. The main contents of this paper are as follows: It is pointed out that there are fundamental contradictions between relativity and quantum mechanics;The wave function, quantum statistics and uncertainty principle are discussed in detail.The hidden variable theory is reviewed and the Bell inequality is discussed.The Aspect two-photon experiment was analyzed.The rationality of Bohm experiment scheme is discussed.The development of Bell type experiment is discussed.It is pointed out that the entangled state is not acting at a distance but propagating faster than the speed of light.Reviews the Copenhagen interpretation of quantum mechanics;Quantum communication and Wootters theorem are discussed. etc.

This paper holds that quantum mechanics has been finalized from 1926 to 1928, and its basic content has not changed much. But for some of the accusations, it is necessary to answer them theoretically. For example, we believe that the Copenhagen interpretation fundamentally changes our understanding of nature and marks a profound revolution in physics. And no other theory has since emerged that has such a profound understanding and wide application of microscopic phenomena as this interpretation. Another example is Bohm's two-particle correlation spin scheme in quantum entanglement experiments, which has been proved to be effective in a series of experiments, which is an important contribution in Bohm's life.

It is pointed out in this paper that the current space flight has put forward the urgent need for superluminal signal transmission. Theoretically quantum non-locality is the superluminality, From the experimental of view, it has long been proved that the non-locality exist, such as the propagation speed of quantum entanglement state is(104~107)! The problem is that has not advanced enough to make use of it, but this is only late or early.

This paper holds that the so-called quantum field theory is a failure, and the original quantum mechanics should still be advocated today. Current theoretical research should pay great attention to quantum entangled states, because its nature is still unclear.Understanding this "first mystery of the physical world" not only has scientific significance, but also has great philosophical significance for understanding the universe.

Key words: quantum mechanicsquantum entanglement states; Bell inequalityrelativity

关键词:量子力学;量子纠缠态;Bell不等式;相对论

 


作者简介:黄志洵,中国传媒大学教授、博士生导师,中国科学院电子学研究所客座研究员。

E-mail: huangzhixun75@163.com




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