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弗兰克·维尔切克:量子纠缠再神秘,也该是科学的观念
关键字: 量子纠缠朱清时量子力学II.
现在我将要描述两个传统的(classic)——但远离经典的(classical)!——量子理论奇异性的例子。它们都被严格的实验所检验(在实际实验中,人们测量类似于电子的角动量特性而不是蛋糕的形状与颜色)。
阿尔伯特. 爱因斯坦,波里斯.波多斯基和纳森.罗森(EPR)描述了一个出现在两个互相纠缠的量子系统之间让人惊讶的效应。EPR效应与特定的,实验可实现的带有互补性的量子纠缠形式密切相关。
一个EPR对包含两个q-ons,对每个q-ons要么可以测量其形状,要么可以测量其颜色(但不能一起测)。我们假设我们有很多对,全部一样,而且我们可以选择如何对其组成部分进行测量。如果我们测量EPR对中一个成员的形状,我们发现它将会等概论的出现方形或者圆形。如果我们测量颜色,我们发现它会等概率的出现红色或者蓝色。
如果我们同时测量纠缠对的两个成员,有趣的效应就出现了,这也被EPR看成是悖论。当我们测量两个成员的颜色,或者形状时,我们发现结果始终是一样的。也就是说,如果我们发现一个是红色,那么接下来测量另外一个的颜色,我们发现它也是红的,等等。另外一方面,如果我们测量一个的形状,再测量另外一个的颜色,它们没有任何关联。也就是说如果第一个是方形的,第二个将会等概率地出现红色与蓝色。
按照量子理论,即使两个系统相距遥远,且两次测量近乎同时完成,我们也会得到上述结果。在一个地方的测量选择看起来会影响另一地方系统的状态。这个爱因斯坦所说的“鬼魅般的超距作用”似乎需要信息传输——在这种情况下,信息是指进行了何种测量——的传递速度超过光速。
但是这样么?直到我知道你所获得的结果之前,我都不知道该预测什么。当我知道你测量的结果后,而不是当你测量时,我获得了有用的信息。而任何披露你测量结果的信息必须通过某种具体的物理方式,(想必)比光速慢。
经过更深的思考之后,这个悖论更进一步的破灭了。令第一个系统已经被测量处于红色状态,实际上,让我们再一次考虑第二个系统的状态。如果我们选择测量第二个系统q-on系统的颜色,当然会得到红色。但是如同我们以前所考虑的那样,在引入互补性之后,如果当它处于红色状态时,我们测量q-on的形状,我们会以等概率地得到方形或者圆形。因此,EPR非但没有引入悖论,其结果逻辑上是必然的。这大体上是互补性地简单重新包装。
发现遥远的事件之间相互关联也不意味着有悖论。毕竟,如果我把一双手套放到两个盒子里,然后把它们邮寄到地球的两边,通过看其中一个盒子,能确定另外一个盒子中手套的手型。对此我将不会觉得奇怪。类似地,在所有已知的情形下,当其成员紧靠时,EPR对的关联必定被铭刻下来,尽管关联当然能在随后的分离中留存下来,好像它们有记忆一样。又一次,EPR的怪异性质并不是像这样的关联,而是它可能的以互补性形式出现的实施方式。
III.
Daniel Greenberger, Michael Horne 和 Anton Zeilinger(Anton Zeilinger是潘建伟院士的导师——观察者网注)发现了另外一个巧妙而有启发性的量子纠缠的例子。它涉及到3个q-ons,被制备到一种特殊的纠缠态(GHZ态)。我们把3个q-ons分配给三个相聚遥远的实验者。每个实验者都各自独立且随机的选择是测量形状还是颜色,然后记录其结果。这个实验得重复很多次,每次都让三个q-ons从GHZ态开始。
每个实验者,单独地测量会发现完全随机的结果。当她测量一个q-on的形状,她会等概率的发现方形与圆形。当她测量它的颜色,红与蓝等概率出现。到此为止还是如此平凡。
但是后来当实验者凑到一起,并比较他们的测量时,稍加分析就能揭示出让人震惊的结果。让我们把方形与红色称为“善”,圆形与蓝色称为“恶”。实验者发现一旦她们中两个选择测量形状而第三个测量颜色时,就有0或者2次测量结果是“恶”(也就是圆形或者蓝色)。但如果所有三人都选择测量颜色时,会有1或者3次测量结果是恶的。这正是量子力学所预测的,也是实验上所观察到的结果。
因此:恶的数量是偶数还是奇数?两种可能性都有,但是出现哪个取决于如何测量。我们不得不拒绝回答这个问题。不考虑测量方式来谈论系统恶的数量是没有意义的。实际上,它将会导致矛盾。
用物理学家Sidney Coleman的原话来说,GHZ效应是“在你面前的量子力学”。它击溃了根源于日常经验而深入骨髓的成见:即物理系统拥有与其测量方式无关的确定性质。因为如果这个成见是对的,那么善与恶的平衡将不会受测量选择的影响。一旦接受了这个价值观,GHZ态的寓意是难以忘记且让人大开眼界的。
IV.
到此为止,我们已经分析了纠缠如何阻止我们赋予若干q-ons唯一的、各自独立的状态。类似的思路也可以用于单个q-on在时间上的演化。
当我们的系统在时间上的每一时刻都无法赋予确定的状态时,我们就说我们有“纠缠的历史”。与我们通过排除某些可能性来得到传统的纠缠类似,我们可以通过测量得到曾经发生历史的部分信息。在最简单的纠缠历史中,我们只有一个q-on,我们在两个不同的时间点上观察它。我们可以想象某种情形下,我们确定了我们的q-on在两个时间点上要么都是方形,要么都是圆形,但我们的测量无法区分这两种可能的结果。这正是上面所描述的最简单的纠缠情形在量子时域上的对应物。
使用稍微精细点的方法,我们就可以在这个系统中加入互补性的窍门,同时定义某种情况让量子理论呈现出“多世界”的面貌。我们的q-on可以先被制备到红色态上,而随后时间的测量是在蓝色态上。如在上面最简单的例子中,我们无法在中间时间区给我们的q-on一致地赋予颜色的属性;它也没有确定的形状。这类历史以有限的、但是可控且精确的方式实现了植根于量子力学中的多世界图像之下的直觉。一个确定的状态可以先分叉到相互冲突的历史轨迹中,后来再重合到一起。
薛定谔是量子理论的创立者之一,同时对其正确性也持有深刻的质疑。他强调量子系统的演化会自然地达到某些态,可能会测量出非常不同的性质。他的“薛定谔猫”态,著名地,把量子不确定性扩展到猫科动物的死因问题上来。在测量之前,如同我们已经从以前的例子中看到的那样,没有人能够给猫咪的生(或者死)赋予属性。它们共同——或都不——存在于几率的地狱。
日常的语言不适合描述量子互补性,部分是因为在日常经验中我们从未遇到它。按照是生存还是死亡,猫咪实际上会以完全不同的方式与周围的空气分子,以及其他的一些东西相互作用。因此,测量实际是自动发生的,于是猫咪得以生存(或死亡)。但纠缠历史所描述的q-ons,实际上才是真正意义上的薛定谔小猫(kittens)。为完整地描述它们,需要我们在中途时间把两个互相矛盾的性质-轨迹都加以考虑。
在可控的实验中实现纠缠历史是优美的,因为它需要我们收集q-ons的部分信息。传统的量子测量通常收集某时刻的完全信息——比如说,它们一个特定的形状,或者特定的颜色——而不是持续一段时间的部分信息。但是这可以实现——实际上,没有太大的技术困难。于是,我们可以赋予量子理论中“多世界”增殖以精确的数学与实验上含义,并揭示其实质。
(翻译 尹璋琦 首发于知社学术圈,观察者网获授权转载译文)
- 原标题:Wilczek: 诺奖理论物理学家讲述的通俗量子纠缠 本文仅代表作者个人观点。
- 责任编辑:孙武
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