张天才

量子隐形传承

张天才

量子卫星“墨子”今天成功发射. 它的任务之一是地球恒星的量子隐形传态实验. 对于普通人来说，量子隐形传态的实验或现象仍然相对较新. 本文试图向您解释.

请记住，在2013年春节联欢晚会上，刘谦的魔力再次引起了大家的好奇. 可以看到，钢琴家李云迪从舞台上消失了，几乎同时坐在几十米外的礼堂里，向所有人招手. 我们知道，魔术毕竟使用了某种致盲的眼睛，但事实并非如此. 但是，从远古时代到现在，许一直心中想像自己具有这种能力: 突然消失在一个地方而无影无踪，突然出现在另一个遥远的地方，毫发无损. 在中西神话或科幻电影中也有类似的角色. 如果您觉得自己无法在冲突中击败对手，那么一方通常会使用此技巧来躲避危险.

那么这真的可以在现实世界中发生吗？阅读本文后，您可能可以做出自己的判断.

这个故事必须始于1993年. 那年，包括Bennett在内的六位科学家首先提出了量子隐形传态的想法. 要了解这一点，您首先需要了解量子力学的基本概念，即量子态. 在我以前的博客文章“谈论单个量子世界”中，我谈到了经典世界与量子世界之间的许多差异，并提出了量子态的概念. 但是，许发现这个概念很难理解. 为了加深我们对这个基本概念的理解，我们还必须从周围的事物开始，解释为什么我们需要量子态来彻底描述物体.

过去，我们以大型动物“狗”为类比，说明当我们要描述日常生活中的某些事物时，可能会遇到不清楚的尴尬境地. 现在把这张桌子放到我面前，我已经使用了十年了，看看是否会更好. 为了使这张桌子更清晰，我可以从以下内容开始: “这是一个榉木桌子，长150厘米，宽75厘米，高80厘米”. 您可能知道一些有关我的办公桌的信息，但并不全面. 我可以继续声明: “桌子是棕色的，有四个腿，左边有两个抽屉，右边有四个抽屉. ” ...从那时起您已经学到了更多，但这还不够. 我可以继续进行，直到我足够仔细地描述它为止，但是您仍然不明白以下信息: “桌子的右侧是一个椭圆形标记，距中心30cm，它的四个角的直径为2cm的圆形. 转角，其抽屉为推拉式，导轨由LG-12硬铝材料制成，并且表面已变黑...“即使我一直这样说，我也无法完全描述它10,000个单词. 清除这张​​桌子. 因此，我们有句俗话: “在每种情况下最好看到它. ”当您亲眼看到这张桌子时，您的眼睛会迅速观察到这张桌子的细节. 凭借您的聪明才智和多年的工作经验，您很快就会发现我在声明中花了10,000多个单词. 信息. 因此，可以判断这是“桌子”（不是椅子或杯子）. 但是，即使您看过一个小时，或者有10,000人看过一万小时，您仍然无法在此桌子上完整说明所有信息，否则很难回答这个看似简单的问题: “什么是桌子？ British Encyclopedia像这样“定义”“办公桌”: “桌子: 桌子，框架或带有倾斜或水平顶部的柜子，专门设计用来帮助阅读和书写，通常包括一些抽屉，小隔间或分类架”（桌子: 桌子，框架或带有倾斜或水平顶部的盒子，特别设计用于辅助书写或阅读，通常包含抽屉，隔层或鸽孔. 这种“定义”本质上仍然模糊不清.

但是我们建立了“办公桌”的概念，这是一个模糊的概念. 我们仍然可以谈论“桌子”一词而又不会引起误解和沟通障碍的原因，全是基于我们长期的生活经验达成的关于“桌子”一词的某种共识. 但是这种“共识”是不完整的，脆弱的，并且本质上是模棱两可的. 全世界已经制定了无数的“国家标准”，以使各种各样的产品标准化，但是每天许多企业和消费者仍在争辩他们对同一产品的不同看法.

但是，尽管我不能准确地获得全部或部分桌子信息，但我们可以假设有关该桌子的所有信息都存在. 这是客观存在，有些抽象. 推东西. 我们可以使用符号来代表带有所有信息的“办公桌”: 桌子>. 换句话说，只要告诉我|桌子>. 我可以告诉您有关此办公桌的所有信息，并回答有关此办公桌的所有问题. 这个| desk>是我的办公桌的“状态”. 与此| desk>，在我们脑海中有点模糊的东西“ desk”现在很清楚: 因为其所有信息都包含在|中. 桌子>. 基于此，我们可以想象获得两个相同的办公桌是不现实的. 尽管我的办公桌与同事的办公桌是同一批产品，并且木材是从同一只山毛榉木生产的，但它使用的是“精确”工艺，但是我办公桌的右侧距中心30厘米. 椭圆不同于嘶嘶声. 当然，我们可以轻松找到十万个差异. 实际上，是他们的“状态”不同.

但是我们真的可以得到一张办公桌的所有信息吗？或获取其状态|桌子>？

让我们合理地认为这很困难. 因为宏观对象包含太多信息. 获取办公桌的状态: 桌子>，太难了. 换句话说，尽管我们已经写了|桌子>在这里，它也只是一个符号. 我们不能写出它的确切形式，它太复杂了. 但是，如果某物足够简单，则它仅与一个原子和一个光子一样简单. 描述所需的信息少于办公桌. 因此，希望可以在某种程度上获得其信息，或者至少准确地表达某些方面的性质. 该描述包含微对象（例如光子和原子）的全部或部分信息，并由量子力学中的“量子态”表示. 例如，来自不同光源的光子可以描述为不同的量子状态，例如|. 烛光>，|阳光>，|激光>等. 量子态本身的变化由量子力学的薛定er方程描述（就像宏观物体的运动由牛顿定律描述一样）. 如今，随着实验方法的不断改进，人们在实验中已经获得了一些近乎理想的纯量子态. 例如，当激光远高于阈值运行时，其产生的光场可以近似为由大量相同的光子|组成的相干状态. $ \ alpha $>（相干状态）[图1（a）]. 物理学家已经弄清楚了这种相干状态的数学和物理描述.

目前，人们还可以通过某些特殊方式生成粒子数状态[图1（b）]，压缩状态，纠缠状态，薛定ding猫状态等. 这些量子态不再是无法表达的抽象，复杂的事物，而是可以通过实验产生和检验的一些客观存在，并具有良好的数学描述. 在科学家的努力下，这些抽象的量子态可以严格地描述为某种确定的数学形式. 用它们来充分解释我们将得到什么并预测我们将得到什么. 但是量子态本身是具有虚数i的数学函数. 当被问及光子是什么时，2005年诺贝尔物理学奖获得者格劳伯（Glauber）说，这“只是一堆复数”. 这种说法不能简单地看作是这位物理学家的笑话. 实际上，只有图1所示的相干状态才能完整描述激光器. 任何其他形式的解释都是徒劳的（例如我试图用一万个单词或一百万个单词来澄清办公桌是徒劳的）. 我们可以用足够好的彩色滤光片制作出非常明亮的蜡烛，以获得与激光相同的亮度和纯净的颜色，但它仍然不是激光. 您无法使用颜色，强度，方向，波动，粒子，波粒二象性，一阶相干性，二阶相干性等物理量来阐明激光和烛光的性质，就像您无法相信“每个盲人（或100个盲人）所说或共同指的“大象”是真正的大象，除非您说激光是“相干的”而烛光是“热态”.

Glauber帮助我们回答了量子态是什么的问题，因为我们了解量子态的所有知识，您还需要知道什么？关于光的波粒性质的争论不像在盲人中争论大象. 根据哥本哈根学派的说法，这些“纯量子态是客观的，但不是真实的！”这代表了许对量子态的了解. 无论如何，物理学家已经通过实验产生了一些活的量子态. 它们是如此精致，如此纯净，如此特殊，如此脆弱，并且易受外部环境的影响. 它们甚至已经被小心地放置在其中. 这种现象称为退相干. 因此，研究如何产生，测量，控制和应用各种量子态是一项重要的任务. 这项研究称为“量子状态工程”.

制造两个相同的书桌是不可想象的. 我们可以想象，要实现这一点，就是要提取有关办公桌的信息，即获取该办公桌的“状态”. “状态”甚至包含有关桌子中每个原子的信息，以及它们之间以及与外部环境的相互作用之间的所有信息. 我们将此信息存储在具有足够容量的计算机中，这样即使不幸地在大火中燃烧了那张桌子，我们也可以从计算机中检索有关此桌子的所有信息，并遵循每个原子的顺序. 通过它们与环境参数之间的交互，可以重建与原始办公桌完全相同的办公桌. 如果能够做到这一点，则需要花费更多时间来构建多个相同的办公桌. 如果是这样，如果您想象这不是桌子，而是一个人怎么办？

这太古怪了. 量子力学的物理原理否认了这种假设.

1982年，Wootters和Zurek证明，基于量子力学原理，即使对于单个原子或光子之类的简单物体，也无法完全测量其信息，并且基于此信息，两个相同的量子是创建. 陈述，更不用说桌子或人了. 也就是说，不能克隆纯量子态. 简而言之，如果您要克隆一个原子，则需要了解有关该原子的所有信息. 但是您永远无法知道关于原子的所有信息. 这不是因为人类不够聪明或者我们的仪器不够先进，而是因为量子力学的不确定性原理. 根据这个原理，我们不可能同时以任意精度测量被研究物体的某些物理量. 该不确定性甚至被认为是微观对象的固有特性，换句话说，微观对象本质上不同时具有诸如位置和动量之类的物理量. 由于您甚至无法准确地获取信息，因此甚至无法谈论掌握有关该主题的所有信息.

测量行为会干扰被测物体本身，导致物理量不准确. 这个事实不是很大的麻烦. 实际上，在我们的现实生活中量子隐形传送，事情每天都在发生，但是每个人都没有特别注意. 当您要测量轮胎的气压时，必须将气压计连接到轮胎上，并从轮胎中释放出少量气体，但随后轮胎的气压实际上会稍微变化，确切地说，它会降低. 一点;您测量的是不准确的气压；当您与婴儿一起测量温度时，您将温度计放在婴儿的腋下. 这种一定尺寸的玻璃棒实际上会稍微改变婴儿的身体. 体温;当您躺在医院的医疗检查室时，医生会在手腕和脚踝上涂抹一些冰凉的东西，并穿上一堆心电图测量用品，实际上您的心跳早就改变了；当一个登山者当我攀登珠穆朗玛峰并测量8844.43米的高度时，登山者实际上是在山顶上，因为登山者的重量确实将山推下了一点……如果您认为这是诡辩，那么请告诉我，您可以想象一个不影响被测物体本身但可以精确测量的好方法吗？不只是您在考虑. 许多伟大的科学家已经认真考虑过寻找这种“奇妙”的方式. 这项研究称为“量子非爆破测量”.

您可能会告诉我: 是的！我们可以使用山脚下的几何方法或使用GPS定位系统来测量珠穆朗玛峰的高度，而无需完全爬到山顶. 但是您仍然无法进行完全的非接触式测量（无能量交换）. 即使您没有真正到达峰顶，也必须找到一种在峰顶上贴上徽标的方法. 即使您说不需要任何标志，也要在山的最高点上用一块石头作为标志. 但是您必须通过什么方法才能看到（测量）石头（否则您如何知道石头在哪里？），或者您必须将一些光子从石头反射到您的测试系统中，请不要忘记光子在那里有能量和动量. 因此，您仍然没有完成测量而完全不影响被测对象. 至于对对象本身的影响的大小，各种方法可能有所不同，但是没有任何影响就不可能做到. 该效应最终受量子力学的不确定性原理限制. 对于像珠穆朗玛峰这样的山脉，测量（澄清其高度）对其影响很小，当然可以忽略不计，但是对于质量仅为1.67×10-27 kg或能量仅为1.25×的氢原子10 -19焦耳的绿色光子怎么样？结论是，我们对微观量子态的测量总是会干扰它.

这真是可惜！我们受某种物理原理的束缚，而不是我们的独创性，而且我们不能准确地复制一个原子，一个量子态. 如果可以复制量子态，那将是多么美妙. 如果可能的话，我们可以拯救自己: 一个由许多但数量有限的原子和分子组成的人的“状态”，刻在一个大的光盘上，该光盘足以保存一万年. 有一天，一个聪明的生物重建了我的“状态”，“我”在10,000年后恢复了，因为它包含了与我现在相同的所有信息，即我当前的“状态”，因此“他的任何特征行为和思想都是就像坐在这里写科学故事的“我”一样，更不用说这会带来多少矛盾了，这个异想天开的想法违背了我们今天的量子物理学原理，而且似乎永远也不会实现.

但是也可能发生一些异想天开的事情，这就是本文开头提到的Bennett等人在1993年提出的量子隐形传态. 由于我们无法获取有关量子态的所有信息，然后对其进行多次复制，因此我们可以将量子态“混搭”到一个地方并获取其信息而不是对象本身（您不是吗？认为包含对象的所有信息的状态和对象本身是同一件事？），以某种方式发送到另一个地方，然后将“捣碎”并破坏的量子状态恢复到一个新位置. 出来吗这件事没有违反量子物理学的基本原理，因为我们还没有提取“混合”的量子态信息. 贝内特证明他们可以使用量子力学原理做到这一点. 为了清楚起见，我们必须提到一个称为纠缠态的量子态.

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