奇 特 的 量 子 效 应
—
王
量 子力 学从
,
,
量子 纠缠
明
《
安徽 教 育学 院物 理 系
年诞生 以来 经 过大 量 的实验
。
个值
。
每 个 能 量 值 出现 的 几 率 大 小 则 取 决 于 波 函 数
。
检验和理论发 展 肯定 了它 的正 确 性
量子力学与
的平方
实 际 上 可 以 认 为 量 子 纠缠 是 量 子 相 干性 的
。
信息技 术 的结 合 也 是 必 然 的 来 越 重 要 的作用
,
。
当今 信 息 科 学 在 推
,
表现方式 特
一
。
量子 纠缠不 能够用 经 典物理解 释 它 实
, , ,
、
动 社 会 文 明进 步 和 提 高 人 类 生 活 质 量 方 面 发 挥 着 越
。
际 上 是 由几 率 波 叠 加 而 成 的 具 有 非 定 域 性 非 常 奇
现有 信息 系统 的功 能 开发 已 经 接
。
下 面介 绍 量 子 纠 缠 在 量 子 密 码 术 量 子 通 信 以
。
近极 限 电子 计 算 机 的 每 个 芯 片 上 集 成 的 晶体 管 数
目随 时 间 呈 指 数 增 长
及 在 量 子 计 算 机 中 的用 途
、
这预示着 若干年 以后计算
,
子密码术与一子通信 量 子 密 码 术 是 密码 术 与 量 子 力 学 结 合 的产 物
,
机存 储 单元 有 可 能 是 单 个 原 子 而 电 子 在 电 路 中 的
,
行 为就将 不再服 从 经 典 力 学 规 律 取 而 代 之 的是 量
,
它 利 用 了 系 统 所 具 有 的量 子 性 质
。
子力学 规律
,
。
于 是 自然 而 然 地 提 出 了 量 子 效 应 究 竟
。
量 子 密码 术 并 不 用 于 传 输 密 文 而 是 用 于 建 立
,
、
会对 计 算 机 运 算 速 度 产 生 什 么 样 影 响 的 问 题 新 的原 理 和 新 的方 法
、
因
传输 密码 本
。
根 据 量 子 力 学 的不 确 定 性 原 理 以 及 量
, , ,
此 信息科学 进 一 步 的发 展 必 须 在 量 子 力 学 中寻 找
。
子 不 可 克 隆定 理 任 何 窃 听 者 的 存 在 都 会 被 发 现 从
而保 证 密 码 本 的 绝 对 安 全 也 就 保 证 了 加 密 信 息 的
量 子 特 性 有 着 独 特 的非 经 典 功 能 有 可 能 在 提
,
绝对安全 家威斯 纳
。
高运 算速 度 确 保 信息 安 全 增 大信息 容 量 和 提 高 检
测 精 度 等方 面 突破 现 有 的经 典 信 息 系统 的极 限
,
,
、
首 先 想 到 将 量 子 物 理 用 于 密码 术 的 是 美 国 科 学
。
。
量
威斯纳于
“
,
年提 出 可利用单量子态
” 。
,
子 信息 学 应 运 而 生 该 学 科 是 量 子 力 学 与 信 息 科 学 相 结 合 的产 物 它 是 以 量 子 力 学 的 态 叠 加 原 理 为 基 础 研 究 信息 处 理 的 一 门科 学
,
、 、
制 造 不 可 伪 造 的 电子 钞 票
,
但这 个设 想 的实现需
。
要 长 时 间保存 单 量 子 态 不 太 现 实
于传输信息
,
贝 内特 和 布 拉
。
量子信息学包括 了
,
萨德 在 研 究
中发 现 单 量 子 态 虽 然 不 好 保 存 但 可 用
。
量 子密码 术 量子 通 信 量 子计 算 机 等 几 个 方 面 近 年 来在 理论 和 实验 上 都 取 得 了重 大 的 突破
,
年 此 二 人 提 出 了第 一 个 量 子 密 方 案 由此 迎 来 了 量 子 密 码 术
,
,
。
码术 方案 称为
的新 时 期
。
,
在 量 子 力 学 所 描 述 的 关 于 微 观 粒 子 的一 系 列 量 子效 应 中 量 子 纠 缠 就 是 近 年 来 在 量 子 信 息 领 域 引 起 广泛 关 注 的一种 量子 力 学 效应
,
年 贝 内特 又 提 出一 种 更 简单 但
,
,
效 率 减 半 的方 案 即
方案
。
最初 的量 子 密码 通
,
。
信 利 用 的都 是 光 子 的 偏 振 特 性 目 前 主 流 的 实 验 方
案 则 用 光 子 的相 位 特 性 进 行 编 码
,
量 子 纠缠 是 量 子 力 学 描 述微 观 粒 子 的一 种 现
。
量子加密要利用
象 在量 子力 学 中微 观 粒 子 是 指 具 有 波 粒 二 象 性 的
物质
。
量 子 纠缠 效 应 以 实 现 反 克 隆 但 由 于 潜 在 效 率 的耗 散 现 象 的 存 在 会 降低 纠 缠 程 度
。
量子 纠缠 是指 量 子体 系不仅 能处 于一 系列 的
,
因而如何提纯高品
稳定状 态 定 态
也 可 以 处 于 它 们 的叠 加 态 中 或 者
, ,
质 的量 子 纠 缠 态 是 目前 量 子 通 信 研 究 中 的 重 要 课
说粒 子 以 这 样 一 种 方 式 藕 合 在 一 起 以 致 整 个 体 系
不 再 能 够 用 其 组 成 成 分 的 各 自状 态 来 描 述
。
题
信
。
如果测
,
量 子 通信 是指 基 于 对信 息进行 完全传 输 的通
。
量处 于叠加 态 原 子 的某 种 物 理 属 性 如 能 量
,
得到
。
该 系 统 的基 本 部 件 包 括 量 子 态 发 生 器 量 子 通
。
、
的是 叠 加 态 中所 有 可 能 的 能 量 值 中 的 某 一 个 值
也
道 和量子测量装置 量子 而分为两 类
。
按 其 所 传 输 的信 息 是 经 典 还 是
,
就是说 有 时 得 到 的 是 这 一 个 值 有 时 得 到 的是 另 一
前 者 主 要 用 于 量 子 密 钥 的传 输
现 代物理知识
后 者则 可 用 于 量 子 隐形 传 送 和 量 子 纠 缠 的 分 发
“
。
所
,
成 为 量 子 计算 机 的基 础
二
、
。
谓 隐 形 传 送 指 的是 脱 离 实 物 的 一 种 完 全 的 信 息 传
送
。
”
子计 算机
隐 形 传 送 的过 程 是 先 提 取 原 物 的 所 有 信 息 然
, ,
量子 计算 机是 一 类 遵 循 量 子 力 学 规 律 进 行 高速
后将这些 信息传送 到 接 收地 点 接 收 者 依 据 这 些 信
数 学 和 逻 辑 运 算 存 储 及 处 理 量 子 信息 的物 理 装 置
,
、
。
息 选 取 与 构 成 原 物 完 全 相 同 的基 本 单 元 制 造 出 原 物完美 的复制 品 年
,
,
当某 个 装 置 处 理 和 计 算 的 是 量 子 信 息 运
行 的 是 量 子算法 时 它就 是 量 子计 算 机
,
。
。
量 子 计 算 机 的概 念
。
位 来 自不 同 国 家 的科 学 家 提 出 了 利
, ,
源 于 对 可 逆 计 算 机 的研 究
,
。
研 究 可 逆 计 算 机 的 目的
,
用 经 典 与 量 子 相 结 合 的 方 法 实 现 量 子 隐形 传 送 的 方
是 为 了解 决 计 算 机 中 的 能 耗 问题
案 将 某 个 粒 子 的 未 知 量 子 态 传 送 到 另 一 个地 方 把 另一 个 粒 子 制 备 到 该 量 子 态 上 而 原 来 的 粒 子 仍 留 在原处
。
,
在经 典计算 机 中 基 本信息单位 为 比特 运算 对
象 是 各 种 比特 序 列
。
经典 计 算机 从 物 理 上 可 以 被描
,
其 基 本 思 想 是 将 原 物 的信 息 分 成 经 典 信
,
述 为对输人 信号 序 列 按 一 定 算 法 进 行 变 换 的 机 器
息 和 量 子 信 息 两 部 分 它 们 分 别 经 由经 典 通 道 和 量
子 通 道 传送 给接 收 者
。
其 算 法 由 计 算 机 的 内 部 逻 辑 电路 来 实 现
息单元是 量子 比特 列
。
,
。
经典信息是发送 者 对原物进
,
量子计算机是 以 量子态作 为信息 的载体 其信
,
行某种 测量 而获 得 的 量 子 信 息 是 发 送 者 在 测 量 中 未 提 取 的其 余 信 息 接 收 者 在 获 得 这 两 种 信 息 后 就
可 以 制 备 出 原 物 量 子 态 的完 全 复 制 品
,
,
运算对象是量子 比特序
,
、
量 子 比 特 是 两个 正 交 量 子 态 的任 意 叠 加 态 从
。
。
该 过 程 中传
。
而 实现 了信 息 的量子化
、
、 、
人 们 已 提 出 了用 光 子 电
。
送 的仅仅 是原 物 的 量 子 态 而 不 是 原 物 本 身
,
发送
子 原 子 离 子 量 子 点 核 自旋 以 及 超 导 体 中 的 库
、
者甚 至 可 以对 这 个 量 子 态 一 无 所 知 而 接 收 者 是 将 别 的粒 子 处 于 原 物 的 量 子 态 上
。
拍 对 等 物 理 系 统 作 为 量 子 比特 的方 案
而 且 还 可 以 处 于 纠缠 态 上 奇 特 的性 质 出计 算 结 果
,
特别是 量
,
,
在 这 个方 案 中 纠
。
,
子 比特 序 列 不但 可 以 处 于各 种 正 交 态 的叠 加 态 上
。
, ,
缠 态 的 非 定 域 性 起 着 至 关 重 要 的作 用
,
在量子力学
,
,
这 些 特殊 的量 子 态 不
,
中能 够 以 这 样 的 方 式 制 备 两 个 粒 子 态 在 它 们 之 间 的关联不 能 被 经 典 地解 释 这 样 的 态就 是 纠缠 态 量 子 纠 缠 指 的 正 是 两 个 或 多 个 量 子 系 统 之 间 的非 定 域 非经典 的关联
,
仅 提 供 了量 子 并 行 计 算 的 可 能 而且 还 将 带 来 许 多
。
与经典计 算 机 不 同 量 子 计算 机 可 以
, ,
做 任 意 的 么正 变 换 在 得 到 输 出 态 后 进 行 测 量 得
。
。
量 子 隐形传送 可 以 用 量 子 态 作 为信
,
因此 量
子 计 算 对 经典 计 算 作 了极 大
,
,
息 载 体 通 过 量 子 态 的传 送 完 成 大 容量信 息 的 传 输 实现 原则 上 不 可 破 译 的 量 子 保 密 通 信
,
的扩充 在数学形 式 上 经 典 计算 可 看 做 是 一 类 特
。
可 以说 量
,
殊 的量 子 计 算
, ,
。
量子计算机对每一个叠加分量进
, ,
子 通 信 的重 点 在 于 完 全 传 输 量 子 纠 缠 的 信 息
,
。
行 变换 所有 这 些 变 换 同时 完 成 并 按 一 定 的概 率
幅叠加起来 给 出结 果 这 种 计 算 称 做 量 子 并 行 计
年 在 奥 地 利 留学 的 中 国 青 年 学 者 潘 建 伟 与 荷 兰 学 者波密斯特 等人 合 作 首 次 实 现 了 未 知 量 子 态 的远
程传输
。
算
。
除 了进 行 并 行 计 算 外 量 子 计算 机 的另 一 重 要
,
,
这 是 国际 上 首次在 实验上成功地将一个 量
。
用 途 是 模 拟 量 子 系统 这 项 工 作 是 经 典 计 算 机 无 法
子 态 从 甲 地 的光 子 传 送 到 乙 地 的 光 子 上
实验 中 传
胜任的
,
。
输 的只 是表 达量 子 信 息 的 状 态
光子本身并不 被传输 突破
。 。
,
“
”
,
作 为信息 载 体 的
由此 可 见 量 子 计 算 对 经 典 计 算 作 了 极 大 的 扩 充 经典 计算 是 一 类 特 殊 的 量 子 计 算 本 质 的特 征 为量子 叠加性 和 相 干性
,
,
最 近 潘 建 伟 及 其 合作 者 在
。
量子计算最
,
如 何 提 纯 高 品 质 的 量 子 纠 缠 态 的 研 究 中又 取 得 了 新
。
量 子计算机 对
最 近 潘 建 伟 等 人 发 现 了利 用 现 有 技 术 在 实 验
,
每一 个叠 加 分量 实 现 的 变 换 相 当 于 一 种 经 典 计算
上可 行 的量 子纠 缠 态 纯 化 的理 论 方 案 原 则 上 解 决
了 目前 在 远 距 离 量 子 通 信 中 的根 本 问 题
,
所有 这些 经典计 算 同 时 完 成 并 按 一 定 的概 率振 幅
。
这项研究
“
叠 加 起 来 给 出 量 子计 算 机 的输 出结 果
,
。
这种计算
成 果 受 到 国 际 科 学 界 的 高度 评 价 被 称 为 远 距 离 量 子通 信研究 的一 个 飞 跃
,
称 为量 子 并 行计 算
,
。
量 子 并 行 处 理 大 大提 高 了 量 子
” 。
计算 机 的效 率 使 得 其 可 以 完 成 经 典 计 算 机 无 法 完
,
量 子 纠 缠 态 还 可 用 来 制 备 光 场 量 子 态 两 个子 系统 通 过 相 互 作 用 即 经 历 一 个 么 正 变 换 过 程 后 可
以 产 生 纠 缠 从 而 提 供 所 需 的量 子 态
,
成 的工作
三
、
。
量 子 纠 缠 及 相 干性 在 所 有 的量 子 超 快 速
。
算 法 中得 到 了 本 质 性 的利 用
。
子计算 的困难及 其克服途径 量 子计算 的优越 性 主要 体现 在 量子并 行处理
量 子 纠缠 态不 仅 已经 应 用 于 量 子 信息 系 统 也
卷
,
期
总
期
辛 激发 茸澎夸描详谬与重离子 瞬以 应 鸽毅的侧童
王
琦
董玉 川
李松 林
兰州
田 文栋
。 沉幻
中 国科 学 院 近 代 物 理 研 究 所
量 子 力 学 的 建 立 与 相 对 论 的提 出 是
,
,
世纪物 有趣 的是
,
,
想 形 象 地 说 明量 子 力 学 的 基 本 原 理 而 且 想 袒 露 他
,
理学 最 伟 大 的成 就 它 们 构 成 了 现 代 科 学 的 理 论 基
础 也 是 当代 人 类 物 质 文 明 的 理 论 基 础
,
对量 子理论 的疑 惑
。
我们 知 道 放射性 元 素 中的原
, ,
。
子不 是 在 某一 特 定 的 时 间点 蜕 变 而 是 以 某 种 概 率 在 某 一 特 定 的 时 间 段 内发 生 蜕 变
,
一方 面量 子 理论 已 经 为无 数 的 实 验 事 实 所 证 实 到
目前 为 止 甚 至 还 找 不 到 一 个 与 它 的 预 言 相 悖 的 实 际
。
换句话说 一个
,
特 定 的原 子 的蜕 变 在 时 间 上 是 不 能 准 确 预 报 的
、
、
。
量
,
事 例 另 一 方 面 量 子 力 学 的基 本 概 念 又 与 人 们 对 现 实 宏 观世 界 的传统 认 知极 不 协 调 上是对量子理论 的根 基 的质 疑 议一天也没有 停 止 过
,
,
子理 论 认 为 无 论 是 粒 子 光 力 还 是 整个 世 界 都
,
。
这种不协调实质
,
具 有 这 种 不 确 定 因素
,
。
一 个 粒 子 可 以 同 时分 布在 几
,
。
所 以 从量子力学
,
个 不 同的位 置 一 道 光 可 以 在 这 里 而 同时又 在另 一 个 地 方 它 们相 互 之 间能 够 以 超 过 光 速 的速度 沟通 即使 真 空 中 也 存 在 许 许 多 多 这 种 不 确 定 的 微 粒 和 波
。
诞生 前后 一 直 到 现 在 的 近 百 年 间 对 量 子 理 论 的 争
。
其 中 最 著 名 的议 题 之 一 就
,
是 所 谓 的薛 定 谬 猫 佯 谬 定愕猫
。
。
对 笼 子 里 的猫 来 说 因 为 没 有 人 知 道 原 子 蜕 变
,
,
年 薛定愕提 出 了一个思想实验 人称薛
,
的准 确 时 间 所 以 外 面 的 观 察 者 也 没 有 人 知 道 里 面 的猫 此 时 此 刻 是 活 着 还 是 已 经 死 了
,
他设想 有 一 只 猫 被 关 在 一 个 笼 子 里 这 个
,
,
。
从某种 意义上
,
笼子里 有 一 个毒 药 瓶 瓶 的 开 关 由一 个 放 射 性 原 子 装置控制
, ,
说 这 只猫 生 与死 并 存 或 两 者都 无 从 谈 起 它 处 于
,
。
当这 个 装 置 中 的 原 子 处 于 激 发 态 时 瓶
,
, ,
一 种 介 于 生 与 死 之 间 的混 合 状 态 之 中
,
。
而在 现实 的
。
子关 闭 猫 是 活 的 当 原 子 跃 迁 到 基 态 时 伴 随 有 光 子释放 毒 药瓶被 打开 猫立 即被毒死
少
。
。
宏观世 界 中 猫 非死 即活 两者必 居其一
,
, ,
猫是活
,
薛定 愕用 下 十
的 猫 也 是死 的 显 然 有 悖 于 我 们 日常 的生 活 经 验
列 波 函数来描
述 这个 猫 与 原 子组 成 的复合体 系
活猫
。
’
令人难 以接受
、
。
个
月 死猫
’
哥 本 哈 根 学 派 的解 释 是 一 旦 进 行 测 量 这 种 奇
, ,
川
二
特 的 既模糊 又 不 确定 的世界 顿 时就会转变 为我们
,
其中 率
,
,
。
’
表 示 原 子处 于 激发态 且猫是 活着 的概
,
习 以 为 常 的 确定 的可 知 世 界 而进 行 测 量 非 得 采 用
,
、
川 表示 原 子 处 于 基 态 且 猫 是 死 的 概 率 这 个
。
’
宏 观 的测 量 仪 器 不 可 这 种 遵 循 经 典 物 理 学 定 律 的 仪器 破坏 了量 子 状 态 的叠 加 它 使 得 量 子 状 态 塌
, ,
,
波 函 数 表 示 猫 处 于 不 死 不 活 的状 态
薛 定 谬 用 他 描 绘 的 介 于 生 与 死 之 间 的猫 不 仅
公户‘ 产
,
,
缩
汤
妄小 ‘
。
这 时 量 子物理靠拢 经典物 理 微 观世 界 过渡 到
小
,
,
‘声
‘ 声‘ ‘ 产
口户
‘ 声盏 ‘
户 之夕
‘
必含 弋 , 小 嘴 , 备 心产 父 二 义
产父 ,
小 ‘ 小唱 , 盏兮
沪侣产
,
‘ 声‘ ‘
户
‘‘必
‘ 产‘
炉户
‘
夕‘
洛 盏 吩户
‘
产
‘ 备‘ ‘‘小
、
梦 备 心 夕知‘ 户
夕户
,
户 夕户
、
‘
产 梦翻 沂 心产 , 户
。
,
、
‘户
‘ 岁 泛 吩 户‘ 产 , 户 父 产
上 无 论 是 量 子 并 行 计算 还 是 量 子 模 拟 都本 质性 地
算 结 果 出错 这 就 是 量 子 错 误
,
因 此 有 效 地 保持 量
利 用 了量 子 相 干 性 即 量 子 纠 缠 态 的 有 效 保 持
,
,
。
失
。
子 纠缠 态 及相 干性 是 量 子计算机进 行 可靠 的量子 运
去 了量 子 相 干 性 量 子 计 算 的 优 越 性 就 消 失 殆 尽
算 的基本 保证
。
但 在 实 际 系统 中 量 子 相 干 性 却 很 难 保 持
,
。
消相 干
,
量 子 信 息 学 的发 展 方 兴 未 艾 最 突 出 的特 点 是
,
即量 子 相 干 性 的 衰 减 主 要 源 于 系 统 和 外 界 环 境 的
量 子 物理 学 的 原 理 和 计 算 机 科 学 的 交 融 和 相 互 促 进 更 多 的有 如 量 子 纠 缠 这 样 的 量 子 效 应 也 会 成 为 当 代 人 们 耳 熟 能 详 的名 词
,
祸合
。
因 为在 量 子 计 算 机 中 执 行 运 算 的 量 子 比 特
, , ,
不是 一个 孤立 系统 它 会 与外 部 环境 发生 相互作用
。
人类 也将更 加积极地 致
其作 用结果 即导 致 消相 干
的指 数 衰 减 不 可 避 免
・ ・
。
有 研 究 表 明量 子 相 干 性
力 于量子技术 的开 发 推 动科 学 和 技 术 更 迅 速 地 发 展
。
。
一 旦 相 干 性 丢 失 就 会 引起 运
现 代 物 理 知识