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本文发表于《科学通报》“观点”栏目,由哈尔滨工程大学苏洪轶副教授和南开大学陈景灵教授撰写。
苏洪轶,2009年毕业于天津大学,获得理学学士学位;2015年毕业于南开大学,获得理学博士学位。先后在新加坡国立大学、韩国全南国立大学、中国工程物理研究院等机构从事研究助理、博士后等研究工作。2021年至今,任哈尔滨工程大学物理与光电工程学院副教授,从事量子信息的理论研究。
陈景灵,先后于1994、1997、2000年在南开大学获得理学学士、理学硕士、理学博士学位。2000~2002年,于北京应用物理与计算数学研究所从事博士后研究;2002~2005年,于新加坡国立大学从事博士后研究。2005年至今,任南开大学教授,研究方向为量子物理与量子信息。
量子力学自诞生以来一直争议不断. 爱因斯坦公开表达对量子力学的批评态度可以追溯到1927年举行的第五届索尔维会议. 会议期间, 他与同为量子论奠基人的玻尔展开了激烈争论. 虽然当年度的会议主题是“电子与光子”, 但讨论的焦点几乎都集中在这两人的争论上. 争论没有完结, 但是由玻尔、海森堡、玻恩等人推动的量子力学哥本哈根诠释借此机会得到了广泛的传播. 关于这场争论, 狄拉克后来回忆道: “我没怎么参加爱因斯坦与玻尔在索尔维会议的讨论. 我听了他们的争论, 但是我没有加入, 因为我不是非常感兴趣. 我对于获得正确的方程更感兴趣. 对我而言, 一个数学物理学家的根本工作在于获得正确的方程, 而方程的诠释只具有次要意义…目前的量子力学看来还不是最终形态…我认为从长远看爱因斯坦可能会最终胜出, 尽管物理学家不得不暂时接受玻尔的概率诠释, 尤其是当他们做出检验的时候. ”
爱因斯坦1933年定居美国之后, 与政府往来日益频繁, 却仍然写出了数篇精彩的文章, 其中就包括1935年的“EPR佯谬”
为了理解EPR佯谬, 我们首先引入马斯洛的“锤子定律”
EPR文章中, 爱因斯坦、波多尔斯基与罗森在定域性假设下得到量子力学自相矛盾的结果, 以此“证明”量子力学不完备. 用现代语言来说, 他们在论证过程中使用了“量子纠缠态”的性质. “量子纠缠”一词最早出自薛定谔
也就不会有灰色袜子与色袜子的关联了.
EPR的论证如下: 考虑位置和动量两种测量方式, 如果两个粒子1和2处于纠缠态, 那么通过测量粒子1的位置, 可以立即得知粒子2的位置; 类似地, 通过测量粒子2的动量, 可以立即得知粒子1的动量. 现在, 我们测量粒子1的位置和粒子2的动量. 一方面, 按照量子力学不确定关系, 由于测量了粒子1的位置, 粒子1的动量将不能确定. 另一方面, 按照定域性假设, 当两个粒子距离遥远时, 它们各自的测量是不会互相影响的. 因此, 由于粒子2与粒子1的纠缠, 通过测量粒子2的动量是能够得知粒子1的动量的. 这就出现了矛盾: 粒子1的动量到底能不能确定?
上述论证涉及到了量子力学不确定关系、量子纠缠态以及定域性假设. 考虑到在爱因斯坦的相对论中, 定域性是其核心要素, 应该普遍适用. EPR由此得出“量子力学不完备”的论断.
沉睡中的EPR文章在随后几十年里只得到一些零星的引用. 彼时物理研究的核心领域是粒子物理: 1932年查德威克发现中子, 1935年汤川秀树提出核力的介子理论, 1939年爱因斯坦向美国总统罗斯福发信阐述有关原子能的用途, 1945年首枚原子弹在日本爆炸, 1946~1948年施温格、费曼、朝永振一郎提出量子电动力学重整化方法, 1956年李政道与杨振宁预言弱相互作用下宇称不守恒并由吴健雄团队实验验证, 1964年盖尔曼提出夸克模型.
量子力学基础问题的研究在粒子物理的群星闪耀下缓慢前行. 值得一提的是, 惠勒
随后, 高能物理学家贝尔在玻姆隐变量理论和吴-Shaknov实验的基础上, 开始寻求符合EPR文章的定域隐变量理论. 1964年, 他成功地构造出一个后来以他本人命名的数学不等式
贝尔的定域隐变量理论可以从如下角度理解: 考虑任意二体关联几率
其中表示投影算符,
这里
相比之下, CHSH不等式不需要假设这种完美关联, 因此在实验上是更加可行的.
接下来, 接力棒交到了实验物理学家的手中. 贝尔不等式的实验检验主要有三个不平凡之处: 定域性、探测效率、选择测量方式的自由. 由前面定域隐变量理论的推导可知, 两个粒子的测量不能互相影响, 所以这两个测量事件必须是类空间隔的. 实际的测量不是瞬时的, 需要一定的时间
1972年, Freedman和Clauser
回首百年, 一个围绕“EPR佯谬”的哲学争论竟导致了如今量子信息科学与量子技术的发展(
致谢 感谢国家自然科学基金(11875167, 11905209, 12275136)资助。
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