量⼦⼒学佯谬及第⼆次量⼦⾰命

作者: 薛鹏

来源: 中国物理学会期刊⽹

发布日期: 2022-12-20 08:00:41

⽂章介绍了三个著名的量⼦⼒学佯谬及其与定域实在性、语境实在性和宏观实在性之间的关系,讨论了量⼦信息理论的发展及其对量⼦通信、量⼦计算和量⼦传感等领域的推动作用,以及2022年诺⻉尔物理学奖获得者的贡献。

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”。

2022年诺⻉尔物理学奖授予法国物理学家阿兰·阿斯佩、美国物理学家约翰·弗朗⻄斯·克劳泽和奥地利物理学家安东·塞林格,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⻉尔不等式验证”,⽽获得沃尔夫奖。

沃尔夫奖也被认为是诺⻉尔奖的⻛向标。他们利⽤纠缠光⼦,实验验证了⻉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。因此他们获得诺⻉尔物理学奖也是众望所归。

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⻉尔物理学奖密切相关的EPR佯谬,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,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,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。

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