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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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走近量子纠缠(16)——GHZ定理-继续   

2013-09-05 15:04:31|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:张 天蓉

再继续前一节的实验,石头爆炸后,3个孙悟空朝不同方向飞出。在互相距离很远很远之处分别被3位神仙抓住。这个“很远”的意思就是说它们之间是没有可能互通消息的,每个孙悟空被抓住前的一刹那,只知道抓自己的那个神仙用的是左眼还是右眼,并不知道别的神仙使用哪只眼睛,但是,根据量子力学计算的结果,这3个孙悟空却似乎能够在最后一刻仍然协调地行动,使得神仙发光的结果总是符合两条规则。

前面一节又说了,玉皇大帝了解了‘量子孙悟空’遵循的两条规则之后,便作如下设想:所谓的‘量子孙悟空’恐怕也没有什么神秘之处。它们之所以能在相距很远很远的地方还能够互相紧密关联,并非它们有什么‘超距心灵感应’,而是因为3个孙悟空在分离的那一霎那,都得到了一张约定表。表中给出了孙悟空被神仙抓住时的行动指令。

如果仔细考察研究一番上一讲最后给出的那个指令表,就会发现,那个表能够符合规则1,但是不能符合规则2。下面的例子则是反过来:能够符合规则2,但是不能符合规则1。

073854gcme2kggmsfkues3为大家方便起见,在此,将两条规则简单重复写一遍:

规则1:如果一个神仙用左眼看,另两个用右眼,那么,有1或3个头顶发光;

规则2:如果三个神仙都用左眼看,那么,0或2个头顶发光。

玉皇大帝想,不管怎么样,现在的任务就是要找出这样一个表,让3个孙悟空(经典的)按照表上的指令行动,使得既能符合规则1,又能符合规则2。这样,不就可以解释量子力学,也就是解释那3个所谓‘量子孙悟空’诡异行为的原因了吗?也就是说,情况有可能正是爱因斯坦所预料的:‘量子孙悟空’其实和‘经典孙悟空’是一样的,只要有了那张表!咦,玉皇大帝寻找的那张表,不就是爱因斯坦所假设存在的‘定域隐变量’吗?

约定表的确就类似于定域隐变量,问题是,这样的指令表存在吗?

还好,问题不难,我们可以很快地研究完所有可能的指令表。因为每个指令表中只有6个格子,每个格子或者有蓝点,或者没有蓝点。所以,可能存在的指令表的数目只等于26=64。总共不过只有64种可能的约定表而已!

玉皇大帝手下的计算官员很快就考察了这64种约定表。他们首先使用规则1,发现大多数的约定表都不能符合,只有下图中的8种表才能符合规则1:

073856r11a6cvcfrjo8v6o现在,剩下的问题就是用第二个规则来检查这8个指令表了。第一个,不行。第二、第三……,情况不乐观,检查的结果,8个指令表中,没有一个能够符合规则2!

玉皇大帝有些迷糊了。这是怎么回事呢?那就是说,找不到这样一个预先给定的约定表,用它来对3个孙悟空定下行动指令,让它们能够在被神仙们观察的那一瞬间,按照指令来调整金箍棒的旋转方向,而使得结果符合规则1和规则2。但是,量子孙悟空的行动却能够很好地符合这两条规则!对此,似乎只有一个唯一的解释:量子孙悟空的行动不符合爱因斯坦在EPR论文中所定义的定域实在性。它们似乎总能够在那最后一刻,互相高度协作地行动。为什么能如此高协调地行动呢?再推论下去就使得玉皇大帝不禁也打了个寒蝉,因为好像有某种超过光速的作用要出现了。玉皇大帝记得爱因斯坦的相对论中有那么一条,光速是不能超过的。爱因斯坦提出过警告:“如果量子力学是正确的,这个世界就有点疯狂!” 作为世界的最高管理者,玉皇大帝可不喜欢这个世界疯狂。

但是现在,好像用经典定域隐变量理论解释不通这3个量子孙悟空的行为。当3个孙悟空距离‘很远’被抓住时,它们好像不仅仅知道抓住自己的神仙用哪只眼睛,而且也知道另外两个神仙用哪只眼睛观察,否则,不可能总是表现出如此高度的协作性。

其实,上面的结论早在多年前的贝尔定理及其实验证明之后,就已经既成事实了。不过,事关重大,况且,贝尔的理论和不等式又太复杂,玉皇大帝似懂非懂,不愿意认同。这次的GHZ定理,太直观了,它既不需要不等式,也不用统计方法,却同样地给出了与定域实在论不相容的结果。玉皇大帝不得不静下心来分析这严峻的形势,立即想到还有最后一根稻草:那两条规则只是从量子力学的理论得出来的,如果量子力学的理论错了呢?那一切问题就不存在了。所以,尽管GHZ等人的文章说得头头是道,也还是需要实验的验证吧?当然,玉皇大帝也知道,总的来说,量子力学的理论已经被实验验证了好几十年近百年了。无论如何,再等待一次实验吧!

1996年,一个中国青年来到了奥地利维也纳,这个音乐的王国,众多著名的音乐大师的故乡。不过,年轻的学子潘建伟不是要追随约翰·斯特劳斯创造《蓝色多瑙河》的足迹,而是跟着伟大的物理学家,量子力学创始人之一埃尔温·薛定谔的步伐,大步踏进了维也纳大学庄严雄伟而又美丽绝伦,像一座巨大博物馆似的的校园。

073859dddv009hryp8fgyn维也纳大学是现存最古老的德语大学,高雅古典的文化氛围、得天独厚的自然风光,造就了无数个名人,包括20几个诺贝尔奖得主。潘建伟在中国科技大学攻读学士及硕士学位时,就感兴趣于量子力学的基本理论问题,迷上理论物理。在维也纳大学攻读博士学位期间,他师从走在国际前沿的物理学家塞林格,短短的几年内就在量子信息传输的领域内作出了一系列惊人的成果。

2000年,潘建伟等在《自然》杂志发表文章,首次成功地利用三粒子纠缠态实现了GHZ定理的实验验证。此外,在此期间,潘建伟还和塞林格的团队一起,还在量子隐形传态方面作出了一系列重大突破。后来,潘建伟敏锐地洞察到量子信息这一学科未来必有大的发展,仿效老一辈的科学家,他回到了祖国,在他的母校中国科大,与郭光灿院士等,走出了自己独特的一條研究道路。十年磨一剑,近几年他們有关量子传态方面的新成果振奋人心,捷报频传。此是后话,我们在最后一节还将谈到。

2011年,因潘建伟的突出表现,41岁的他当选为当年中国科学院最年轻的院士。

让我们再回到GHZ定理,以及bell定理,等的哲学意义上来。

面对着一次又一次的实验验证,玉皇大帝也束手无策,原来世界上果然有爱因斯坦所不可理解的“幽灵般的行动”啊!想起爱因斯坦的话,如果量子论正确,这个世界就有点疯狂!对此,GHZ中的格林伯格说:“这个世界的确很疯狂!”。不过,玉皇大帝见多识广,还有很多别的招数。他想,量子力学也许是正确的,看起来使人感觉疯狂是因为解释的问题,到底应该如何来诠释量子论呢?玉皇大帝研究了各种各样的诠释,感觉似乎全都不尽人意,不过觉得对一个理论有如此多种的诠释,这在天下知识界中,除了量子论之外,恐怕也别无它哉,于是便将支持人数较多的几大诠释列在这儿,立此存照,以便世人查阅。

“哥本哈根诠释”,主要由波尔和海森堡建立在互补原理、测不准原理、波函数塌缩等基础上。曾经为大多数人所接受,长时间被捧为‘正统诠释’。也是本系列文章所采用的基本观点。

“多世界诠释”,many-worlds interpretation,或简称MWI。1957年 Hugh Everett III提出,认为测量带来的不是波函数坍缩,而是分裂成无限多个平行宇宙。每个宇宙都有一个确定的状态,而我们只是在其中的一个特定宇宙。表面上看的优点是:薛定谔方程始终成立,波函数不坍缩,简化了基本理论。但带来了不停地分裂成无限多个平行宇宙的奇怪结论。

“系综诠释”,Ensemble interpretation,包括布洛欣采夫的系综解释和波普尔的倾向性解释。多数人认为它与哥本哈根诠释基本一致,但是它只承认量子力学的统计层面解释,认为量子力学不能描述单个粒子自身的态,而只能描述一个统计系综的状态。

“隐变量诠释”, De Broglie–Bohm的隐函数理论值得探索,因为它似乎将为世界恢复好的秩序。但是bell定理、GHZ定理等排除了定域隐变量的存在。非定域隐变量是否能存在,还是个未知数。

“交易诠释”,transactional interpretation of quantum mechanics, TIQM,由Cramer于1986年提出。将量子交互作用描述为驻波,驻波是由延迟波(retarded wave)(顺着时间行进)以及超前波(advanced wave)(逆着时间行进)的两种波所构成。据说可解决几个别的诠释无法解释的量子悖论。

“量子退相干诠释”,很早被波姆提出,但直到上世纪80年代才被美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家Wojciech Hubert Zurek完善和建立起来,引起越来越多的重视。

找到一个更优越的量子论诠释始终是最令物理学家们期待的事情,或许这将是量子论今后发展中最具重大意义的理论问题。

参考质料

[1]GHZ实验验证:
J. W. Pan, D. Bouwmeester, M. Daniell, H. Weinfurter, and A.
Zeilinger, "Experimental test of quantum nonlocality in three-photon
Greenberger-Horne-Zeilinger entanglement," Nature 403 (6769),
515-519 (2000).

[2]量子力学各种诠释:
"Generalized absorber theory and the Einstein-Podolsky-Rosen
paradox", published in Physical Review D , 362-376 (1980)
"An Overview of the Transactional Interpretation of Quantum
Mechanics", published in the International Journal of
Theoretical Physics , 227 (1988)
"Velocity Reversal and the Arrow of Time", published in
Foundations of Physics , 1205 (1988).

[3]对主要量子系统比较的瞎子摸象比喻: http://faculty.washington.edu/jcramer/PowerPoint/Boskone_0402.ppt

[4]交易诠释:Cramer J G. Rev Mod Phys, 1986, 58(3): 647

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