量子态 百科内容来自于: 百度百科

在量子力学中,微观粒子的运动状态称为量子态。量子态是由一组量子数表征,这组量子数的数目等于粒子的自由度数。

理论简介

在《物理论坛》网上发表《对王德奎先生的三旋态量子理论的质疑》一文中说:“爱因斯坦说过:真实的物理世界应该具有简单性。而王先生的三旋理论则不具备这一特征。将量子作为球状来描述也并非经典量子理论的绝对模式,物理理论的表观模式趋向于建立一种能为人所理解的模型,而球状模型正适合这种情况。其根基来源于我们所处的空间为三维的模式,而球状正是这样一个空间最好的体现。环状量子却违背了这样一个空间的基底,因此采用拓扑空间来描述并非是完备的。虽然这个理论可以解释很多疑难,但理论自身并非是自恰的。当然,这个理论还有待于进一步的研究。”接着, liqichuan先生在《物理论坛》网上又发表《再论实数和复数在物理学中的意义》一文中说:“众所周知,复数和复数方程是物理学中在处理复杂问题时所经常用到的数学手段,但是一旦讨论到具体问题时则采用实数解,这在量子力学中最为明显,比如厄密算符所对应的本征值即为实数,因为只有实数解才与观测符合,这是物理实证的要求。而把数作为宇宙的根本则是毕达哥拉斯派的复辟,这已经被现代科学所抛弃。无绕空间是广义相对论的基础,虽然有绕空间的数学方程可以建立,但是与实际的观察并无任何联系,因此一般是不讨论有绕空间的。同时,目前所讨论的旋量仍然不应该超出经典物理所定义的旋量范围。超弦理论并不一定为大多数的科学家所接受,它毕竟是个倍受争议且极为不成熟的理论,由它所带来的物理困惑并不比以前的理论少多少。” 看来liqichuan先生是一坚定的球状模型量子态的维护者。

理论方法

分析方法

“原子”或“以太”;“球量子”与“环量子”概念”。薛晓舟教授介绍的情况,古希腊留基伯认为,“原子”或“以太”和“虚空”是万物之源,这实际是个“非对易代数”类似的“量子理论”。即如果把不可分割的“原子”或“以太”看成是实数,“虚空”看成是虚数,实数与虚数存在有不可对易性。这里,“非对易”可近似理解为“非对应”。彭罗斯认为“非对应”最终含有“不可计算性。
liqichuan先生所说:“来源于我们所处的空间为三维的模式,球状正是这样一个空间最好的体现,而环状量子却违背了这样一个空间的基底”。也正是如此,现代科学才建立了以“球量子”为精神领袖的强大而十分巩固的“政权”。也许liqichuan(李奇传)先生所说的“复辟”,就是指会动摇以“球量子”为精神领袖的强大而十分巩固的“科学政权”的理论研究。在近代科学中引出的负数开平方,如所谓“扭量从开根号”,就是有人说的:“-1可以开根号得到复数,而微分算子可以开根号得到旋量。复数不能比较大小。但量子力学的波函数是复数的,描述粒子具有自旋,而广义相对论一直用世界线来描述粒子,于是相对论有一个基本的问题是,世界线体现出粒子的自旋,即扭量=量子力学+广义相对论=复数+旋量+共形变换。”这无疑是对以“球量子”为精神领袖的强大而十分巩固的“科学政权”不利,所以liqichuan先生才说出“把数作为宇宙的根本则是毕达哥拉斯派的复辟”的话。他的解释是:“复数和复数方程是物理学中在处理复杂问题时所经常用到的数学手段,但讨论到具体问题时则采用实数解,因为只有实数解才与观测符合”。这个解释不正确,因为类似牛顿力学体系方程、麦克斯韦电磁力学体系方程、爱因斯坦相对论力学体系方程、薛定谔量子力学波动方程等绝大多数物理学方程的数学手段,都没有解决好复杂的时间箭头问题,所以用这种处理办法才是可取的。例如爱因斯坦的狭义相对论,就是舍弃取虚数解的办法而使计算具有简单性;相反,崔珺达教授的复合时空量子理论,则把爱因斯坦狭义相对论舍弃的虚数解捡拾起来,但对时间箭头问题并没有解决,反而把简单的数学手段弄复杂化了。

“纯”理论

山东岳氏时空结构粒子研究所所长岳涌强先生的《自然宇宙之数学原理》,提出包含自然、数学、物理、化学、天文等整个知识大厦的庞大科学体系,是建在牛顿、爱因斯坦、狄拉克等科学家的三个层次的理论基础之上的,霍金要把这三个不同层次的定律合成一组数字式,这显然是办不到的。岳涌强先生认为,把宇宙大爆炸之前的一个“点”状态定义为“纯物质”,因为这时它没有时间和空间,是纯粹的物质状态,当宇宙大爆炸到极限时,没有任何物质,只有空间,故定义为“纯时空”,是纯粹的时空状态;宇宙大爆炸实际上是由“纯物质”向“纯时空”的转化,转化的中间状态,既有物质,又有时空,是混合状态;今天的世界就是从“纯物质”向“纯时空”转化曲线上的一个“点”;这个“点”必然符合整个宇宙转化的大规律,把这个大规律用于太阳系,便得到牛顿定律;用于原子,便得到量子力学定律;用于无限大宇宙,便得到相对论定律。也就是说,狄拉克、牛顿、爱因斯坦分别研究某一层次,所以得到某一层次的规律;如果研究整体,找到研究宇宙整体的方法,便可以进一步找到宇宙的三个基本定律:即物质与时空转化定律、物质与时空对应定律、宇宙量量化定律。把这三个定律分别应用于从无限小到无限大的所有层次,便可推导出自然界全部规律。岳涌强说,把实验物理上升到演绎科学,从物理基本定律方面看来已完成任务,但从演绎角度看却还相差很远。因为物理三大定律还要进一步归结为更深层次的定律,以得到“虚数”与“实数”之间的关系定律。
当物理定律高度集中时,就会失去物理属性,而上升到数学属性,“宇宙的物理定律”就变成“宇宙的数学定律”。岳涌强先生的这个认识是正确的。即原来,数学原理支配着物理原理,物理原理支配着宇宙万物。但从类似liqichuan先生维护球状量子态的“反复辟”者立场看,牛顿、爱因斯坦、狄拉克、霍金、彭罗斯等大科学家,都是走到“环量子”跟前,又退回到“球量子”阵营的人。因为以“球量子”为精神领袖的强大而十分巩固的“科学政权”,也正是牛顿、爱因斯坦、狄拉克、霍金、彭罗斯等大科学家打下的,他们想“复辟”环量子,也只能“反复辟”。
即类似岳涌强先生说法,从研究的时空领域看,世界共有“四层时空”:
  • ⑴数学本质时空,
  • ⑵数学显现时空,
  • ⑶物理本质时空,
  • 物理现象时空。

球状猜想

岳涌强先生也许还是维护球状模型量子态的,例如他发现宇宙大爆炸之前的一个“点”,并没有拓扑学的定义,就只能是沿传统的球状模型状态定义的“纯物质”。他定义的“纯时空”,也只能是沿传统的球状模型定义的纯粹的时空状态。就是说,他的宇宙大爆炸实际上是由球状“纯物质”向球状“纯时空”的转化。转化的中间状态,既有物质,又有时空,也是混合球模型状态;今天的世界,就是他说的从球状“纯物质”向球状“纯时空”转化曲线上的一个球状模型“点”。这个球状模型“点”,如果符合整个宇宙转化的大规律,把这个大规律用于太阳系,便得到球状模型牛顿定律;用于原子,便得到球状模型量子力学定律;用于无限大宇宙,便得到球状模型相对论定律。也就是说,狄拉克、牛顿、爱因斯坦都只是分别研究某一层次的球状模型,所以得到也只是某一层次的球状模型规律。他岳涌强“复辟”与“反复辟”,也只能跟着研究整体的球状模型,所以得到的也只是整体球状宇宙的三个基本定律:即物质与时空转化球状模型定律、物质与时空对应球状模型定律、宇宙量量化球状模型定律;把这三个球状模型定律分别应用于从无限小到无限大的所有层次,可推导出的也只是自然界全部球状模型规律。
所以岳涌强先生和国内外的朋友,不了解“虚数”与“实数”之间的关系,类似非标准分析,虚数在点内;“点内空间”类似大脑空间和电脑的赛博空间拥有的虚拟生存和数字化天地,那么他们仍和霍金一样,要把实验物理上升到演绎科学,这显然是办不到的。

量子传输

听起来,这并不像是一个复杂的实验:位于北京八达岭长城脚下的送信者,要向站在河北省张家口市怀来县的收信者发出一段信息。 这段距离仅有16公里,在晴朗的白天,他们彼此甚至目力可及。只是,这并不是一封信、手机短信或电子邮件,而是好像“时钟指针”一样表示着量子运动状态的量子态。
这已经是量子态目前在世界上跑出的最长距离。6月1日,世界顶级科学刊物《自然》杂志的子刊《自然·光子学》以封面论文的形式,刊登了这项成果:一个量子态在八达岭消失后,在并没有经过任何载体的情况下,瞬间出现在了16公里以外。实验的名称叫做自由空间量子隐形传态,由中国科学技术大学清华大学组成的联合小组完成。
美国国际科技信息网站盛赞,这一成果代表着量子通信应用的巨大飞跃。

量子通信应用

这确实是一个难以令人理解的研究领域,面对抱着巨大好奇心的公众,研究者不禁感到苦恼,“想要给大家都讲明白实在是一件痛苦的事”。
早在3年前,中科大前校长朱清时院士在形容负责组建联合小组的中科大教授潘建伟时也声称,潘在量子通信领域的工作“对于一般人来说是难以理解的”,“不然会感到更强的震撼力”。
一切还要从量子说起。量子是不可分的最小能量单位,“光量子”就是光的最小单位。
在奇特的量子世界里,量子存在一种奇妙的“纠缠”运动状态。中科大量子信息实验室教授彭承志愿意将一对纠缠状态下的光子比作有着 “心电感应”的两个粒子。再用个更贴切的比喻,纠缠光子就好像一对“心有灵犀”的骰子,甲乙两人身处两地,分别各拿其中一个骰子,甲随意掷一下骰子是5 点,与此同时,乙手中的骰子会自动翻转到5点。
事实上,乙甚至根本不需要知道也不能查看自己手中究竟握着几点。因为在物理学上,每一次对纠缠光子的测量都会破坏原有的状态,“就像冰淇淋,你必须尝一口才知道它的味道。但当你尝了一口时,冰淇淋就已经发生改变。”一个专业人士这样解释。
因此,甲只需要通过电话、短信等渠道告诉乙,自己刚刚掷出了5点。乙即便不用摊开手掌,也可以知道自己手边这个“心电感应”的骰子也成了5点。
这听起来就像一场魔术表演。只是,甲和乙之间传送的只是类似“转成5点”之类的信息,而不是实物。

隐形传输距离

这段16公里的旅程创造了新的世界纪录,这是目前这个星球中量子态在自由空间中所能隐形传输的最远距离。
事实上,在量子态隐形传输经历的漫长旅程中,每一点距离的进步都可以被视为一座里程碑。1997年年底,位于奥地利的蔡林格研究小组首次在实验平台上几米的距离内成功地进行了这一实验。
虽然当时的传输距离仅达数米,但美国《科学》杂志却将其列为该年度全球十大科技进展。《科学》杂志的评语是:“尽管想要看到《星际旅行》中‘发送我吧’这样的场景,我们还得等上一些年,但量子态隐形传输这项发现,预示着我们将进入由具有不可思议的能力的量子计算机发展而带来的新时代。”
科幻电影《星际旅行》至今仍在科幻娱乐史上排名榜首。它讲述了人类的梦想:宇航员在特殊装置中平静地说一句,“发送我吧,苏格兰人”,他就会瞬间转移到外星球。在经典游戏“暗黑破坏神”中,女巫角色的技能是“瞬间转移”。只要施展这个魔法,女巫就会伴着一道闪光消失,并出现在任意一个想去的地方。
“这种现象,与量子态隐形传输很类似。”一位联合小组成员谨慎地选择着用词。当然,它们并不相同。在这项实验中,被传输的是信息而并非实物。
1999年,奥地利蔡林格研究小组的论文又与伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等重大研究成果一起,被英国《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。当时26岁的年轻人潘建伟正在奥地利维也纳大学跟着蔡林格教授学习量子技术,他的名字也在小组名单中。
不过接下来,发展并不算顺利。直到2004年,蔡林格小组才利用多瑙河底的光纤信道,将量子隐形传态距离提高到600米。
这次中国的实验在技术上有了重大创新,光子在传播过程中会因偏振而引起变化,联合小组的科学家们对此进行了“正反馈”,即用简单的光学器械控制住光子的偏振态,使这次实验的保真度最终达到了89%。也就是说,“尽管不能正确无误地发送每一个码,但信息是可以传送的”。
“如果地点允许,我们本来希望能达到20公里。”联合小组成员、清华大学物理系副研究员蒋硕觉得很遗憾。他在一间窗台上生长着翠绿爬藤的办公室里接受了记者的采访。
随着高度增加,空气也会变得更加稀薄。所以,地表10公里的空气密度,基本相当于从地球到外层空间几十公里距离的空气密度。“20 公里的传送距离,就表明光子可以在地表与外层空间卫星间打一个来回。”这也就意味着量子信息可以通过卫星在不同地区,甚至国家间传递。
可在野外实验,状况却无法保证同实验室里一样理想而精确。最终,因为位置便利,研究者们将“秘密基地”分别设在八达岭长城脚下与河北怀来的两家小旅馆,地理距离16公里。
为了用激光为量子态传输打出一个光链路,他们的实验大多在其他人沉入梦乡的夜晚进行。光链路是为了帮助随后分发的光量子“探路”。那些已经睡着了的人并不知道,这群在半夜里还摆弄着有点吓人的绿色激光的年轻人,也正在实现这个世界全新的通信梦想。
“尽管我们只传送了16公里,但这在科学上证明了量子信息的远距离传输是可行的,也意味着量子信息通过卫星进行传递有可能实现。” 蒋硕说。

量子计算机

这些站在科学领域最前沿的中国物理学家明白,进行量子通信研究,除了能够实现隐形传态这种奇妙的物理现象以外,还能够实现更重要的使命,那就是防御一种“还未出现的威胁”。
威胁来自尚未被成功发明的量子计算机。早在上个世纪,科学家们就已经开始设想,用量子系统构成的计算机来模拟量子现象,从而大幅度减少运算时间。如果将未来的量子计算机比作大学教授,今天所谓超级计算机的能力甚至还比不上刚上幼儿园的小班儿童。
你可以想象这样一个惊人的对比:现在对一个500位的阿拉伯数字进行因子分解,目前最快的超级计算机将耗时上百亿年,而量子计算机却只需大约几分钟。
“一旦哪个疯子发明出来量子计算机,他就可以攻破所有的密码。”蒋硕指出了这个可怕的威胁。事实上,现在通用的加密方式并非如想象般安全,它们都有破译的方法,只不过由于现有计算机运行能力的限制,破译一个密钥可能要耗费上万年,甚至上百万年。
如果量子计算机出现,我们目前自以为安全的一切将不堪一击。那将是一个超级神偷,可以偷走现代文明中人们赖以生存的一切——银行存款、网络信息。它也足够冲破军事或安全系统,调转导弹的轨道,令整个国家陷入混乱与灾难。因此,没有人敢懈怠,“这并不是一项杞人忧天的研究。所有的防御必须出现在进攻之前。”美国科学家的预言就像一个倒计时牌,“量子计算机可能将在50年之后出现。”
因此,“只有采用量子信息才是安全的,必须占据先机。”这样一切“窃听手段”将失去原有的意义。如果一个间谍想要收集情报,他必须窃取发送途径中的光子,经过测量后再次传给接收者。但因为光子对的纠缠特性,这样的窃取就会被发现,“就像被尝过的冰淇淋一样”。
当然,眼下这只是一场看不见对手的战争。“如果没有量子计算机这支矛,量子信息这面盾就发挥不出作用。”蒋硕说。他同时也认为,即便技术成熟,“如果量子计算机没有出现,并没必要进行大规模的产业换代”。
然而,这篇论文发表后,蜂拥而至的报道和议论却让科学家们发现,公众似乎误解了自由空间量子隐形传态的真正意义,“很多人都认为,这个实验的成功代表着超时空穿越可能实现。”
显然,能够传递一组信息并不意味着已经可以传递实物。“我们对世界的了解仍然不够透彻。”一位研究者说。科学家们现在还不知道应该如何通过隐形传输的方式传送实物,“我们曾经以为世界上最小的是原子,可是后来发现原来里面还有质子和中子。然而,没有人知道质子和中子是否还能被继续拆分。更何况想要传送一个生命体,又该如何处理他复杂的脑电活动呢?”
“目前我们实现的仅仅是单光子量子态的隐形传输,在未来有可能实现复杂量子系统的量子态隐形传输,但距离宏观物体的量子态隐形传输还具有非常遥远的距离。”彭承志说。
也许,正是“非常遥远的距离”带给了人们遐想。毕竟,曾经实验台上量子态只能前行几米,而今,它已经可以穿越16公里。将来,它还可能在星球之间传递。
“科技发展的速度有多快谁能知道呢?”一位参加这项研究的科学家说,“就好像打算盘时的人们永远想不到,在不久的将来,人类发明出了每秒运行几千亿次的电子计算机。”

在中国

存放着机密文件的保险箱被放入一个特殊装置之后,可以突然消失,并且同一瞬间出现在相距遥远的另一个特定装置中,被人方便地取出。记者从中国科学技术大学获悉,日前,由中国科大和清华大学组成的联合小组在量子态隐形传输技术上取得的新突破,可能使这种以往只能出现在科幻电影中的“超时空穿越”神奇场景变为现实。据联合小组研究成员彭承志教授介绍,作为未来量子通信网络的核心要素,量子态隐形传输是一种全新的通信方式,它传输的不再是经典信息,而是量子态携带的量子信息
“在经典状态下,一个个独立的光子各自携带信息,通过发送和接收装置进行信息传递。但是在量子状态下,两个纠缠的光子互为一组,互相关联,并且可以在一个地方神秘消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方瞬间神秘出现。量子态隐形传输利用的就是量子的这种特性,我们首先把一对携带着信息的纠缠的光子进行拆分,将其中一个光子发送到特定位置,这时,两地之间只需要知道其中一个光子的即时状态,就能准确推测另外一个光子的状态,从而实现类似‘超时空穿越’的通信方式。
据介绍,量子态隐形传输一直是学术界和公众的关注焦点。1997年,奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证。2004年,该小组利用多瑙河底的光纤信道,成功地将量子“超时空穿越”距离提高到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰,量子态隐形传输的距离难以大幅度提高。
2004年,中国科大潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。在自由空间,环境对光量子态的干扰效应极小,而光子一旦穿透大气层进入外层空间,其损耗更是接近于零,这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。
据悉,该小组早在2005年就在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠“拆分”、发送的世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。2007年开始,中国科大——清华大学联合研究小组在北京架设了长达16公里的自由空间量子信道,并取得了一系列关键技术突破,最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输,证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性,为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。
据悉,该成果已经发表在6月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然光子学》上,并引起了国际学术界的广泛关注。
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