《从epr到量子信息》word版

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1、从EPR到量子信息从EPR到量子信息九维空间科普系列(QQ56812216)月亮是否只有人看它时才存在?一、EPR的历史：量子力学自诞生之日起，周围就充满了物理学家们对它的疑虑与争论，争论双方一方是以玻尔为首量子力学的捍卫派，他们坚信量子力学是对物质世界客观真实的描述；另一方则是以爱因斯坦为首的怀疑派，他们坚信量子力学并不是对物质世界客观真实的描述，它背后隐藏符合相对论局域实在的更深层次理论。这场争论旷日持久，随着1935年"薛定谔猫"和"EPR佯谬的提出而达到顶峰。EPR是爱因斯坦与他当时手下两个研究生波多尔斯基(B.Podolsky)和罗森(N.Rosen

2、)三人姓氏开头字母的缩写，他们于1935联名发表一篇论文，以思想实验结论的方式对量子力学的完备性提出了质疑。爱因斯坦局域(定域)实在论观点：1、物理实在是独立观测者而客观存在的。2、两粒子间信息(or相互作用)传递速度不可超过光速，不存在超距作用。爱因斯坦等人考虑两个粒子A和B组成的一对总动量总自旋为零的粒子对(称为EPR对)，两个粒子随后在空间上分开距离很大，以至对粒子A进行的任何物理操作都不会对粒子B产生干扰。如某时刻两者之间的距离为a，此时测得粒子A的位置为x1,意味着测得粒子B的位置为x1-a；如测得粒子B的动量为p，就意味着测得粒子A的动量为-p；这

3、就是说对粒子A的位置和动量都进行了测量，相当于对粒子B的同一物理量也进行了测量。这恰好于量子力学测不准原理，即不能同时确定一个粒子的位置和动量相矛盾。对于"EPR"来说，若单独测量A(或B)的自旋，则自旋可能向上，也可能向下，各自概率为1/2。但若测得粒子A的自旋向上，那么，粒子B不管测量与否，必然会处在自旋向下的本征态上。爱因斯坦认定真实世界绝非如此，粒子B决不会受到地球上对A测量的任何影响。因此下列结论二者必居其一：1、存在着即时的超距离作用(超光速的作用)，在测量粒子A的位置的同时，立即干扰了粒子B的动量。2、一个粒子的位置和动量本来同时是有精确值的，只

4、是量子力学的描述不完备。由此得出的结论是量子力学不足以正确地描述真实的世界。玻尔则持完全相反的看法，他认为粒子A和B之间存在着量子关联，不管它们在空间上分得多开，对其中一个粒子实行局域操作(如上述的测量)，必然会瞬间(超光速)导致另一个粒子状态的改变，这就是量子力学的非局域性。EPR佯谬揭示了这样一个现实：如果量子力学是完备的理论体系，那么它与相对论有着本质上不可调和的矛盾。真实世界是遵从爱因斯坦的局域实在论，还是玻尔的非局域性理论?这场争论一直持续多年无果。1951年普林斯顿大学的玻姆(Bohm)率先提出了隐藏在量子力学背后，符合局域实在论的"隐变量"理论，

5、量子力学是它的近似。1964年，贝尔(J.S.Bell)提出任何符合爱因斯坦局域实在论的隐变量理论都将不能和量子力学相容，并用玻姆的理论对实验推导出了一个不等式，即有名的"贝尔不等式"(推导过程较繁不便书写)。如果隐变量理论正确，那么试验结果会符合这个不等式，如果量子力学正确，结果则相反。从1982年以来，世界各地陆续的试验结果均不同程度地违反了贝尔不等式，于是这场物理学的世纪争论便有了一个了断：1、量子力学是正确的，它背后不存在隐变量理论。2、量子力学不符合局域实在论，EPR佯谬恰恰反映了量子力学本质上的非局域性。回首这场争论，玻尔一直处于防守姿态(缺乏物理

6、上说服他人的道理)，而爱因斯坦的进攻则一直触摸到了量子力学的本质，显然爱因斯坦对物质世界的理解要更深一些，因此与其说是玻尔赢得了这场胜利，到不如说爱因斯坦输给了神秘的大自然。我们把EPR对这种两个粒子之间的非定域关联称做"纠缠"(属于可用一个波函数描述的纯态)例：1/√2(

7、↑↓+

8、↓↑)，箭头代表每个粒子自旋取向。既然对其中一个粒子的测量可以使另一个粒子瞬间非定域地坍缩到某个态上(例如上式如果测得粒子A自旋向上，那么粒子B自旋坍缩到向下状态，反之亦然。)，那么是否可以用它传递信息?EPR与传统信息学的结合导致量子信息学应运而生。二、量子信息学：1经典信息不可

9、克服的困难。1948年，美国工程师香农(C.E.Shannon)创立了信息论，标志着信息学成为一门独立的学科而发展起来。信息学主要由信源信宿处的信息处理和信道的传输两部分组成，一个显然的例子就是计算机终端以及电线和光纤铺成的互联网。就信息处理而言，从电子管到晶体管，到大规模集成电路，应该说传统信息处理的发展主要依赖于半导体材料发现与应用，虽然半导体的特性本质上是用量子力学描述的，但计算、存储等所有对信息的处理过程都是靠微小电路完成的，完全靠经典物理学描述，所以说我们用的每台电脑都是经典的信息处理器。就信息传输而言，目前无论是靠无线电信号，还是点对点的宽带光缆或

10、普通电线，信息均是以电磁波或电流的形式