量子霸权已经实现,什么时候传统信息体系会受到巨大冲击?

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这个问题似乎不用问,在主张量子霸权的人士们看来,量子计算可以秒杀传统计算的方方面面,无论是计算速度,无法解决的计算难题,还是数据安全。

量子霸权一旦实现,传统计算和信息系统就该淘汰了。根据谷歌的主张,量子霸权已经实现了,那么量子计算应用会什么时候大规模出现,传统计算什么时候会淘汰呢?三年?五年?十年?二十年?

我们可以不讨论传统计算的全面淘汰,但可以期望第一个秒杀传统计算的应用什么时候出现。既然量子霸权已经实现了,第一个量子计算应用当然应该很快出现。它的出现,应该导致部分传统应用消失,或者能够解决一类新的,传统计算无法解决的问题。根据一般的技术投入应用速度,量子霸权应用三年怎么也应该小成,五年应该投入市场了。现在是2019年,量子霸权已经实现,我们给宽裕一点时间,到2025年,如果还没有出现实用的量子计算应用,我们是不是应该认真考虑一下,量子计算或许是个错误的概念?

我们可以看看,历史上曾经发生过什么。电子计算机诞生以来,发展速度大致遵循摩尔定律,即大约每18个月,芯片上的晶体管数量增长一倍,整体计算能力也大概增长一倍。

原理上,量子计算应该能提供双指数增长的潜力,摩尔定律只是单指数增长。所以量子计算应该发展更快。

最先讨论过的,量子计算对传统计算的威胁,来自于Shor算法,它可以用物理的方式分解大数,从而破解传统信息安全体系。很长一段时间,Shor算法也是量子计算最热门的研究方向。2001年,实验演示了3×5的分解,也就是3个二进制位数的分解。如果遵循传统计算的摩尔定律发展,应该每18个月增加一倍分解数字的长度,到2019年,应该达到3*4096=12288二进制位的数字了,也就是已经秒杀现在的RSA1024,2048加密方案了,但实际上呢?2012年演示了11×13,也就是8二进制位。然后再没有进展。反而,在2018年美国科学院等几家科学机构的评估中,认为Shor算法挑战传统加密方案希望渺茫。我早就指出,还有博友姬杨也说明,Shor算法不可能分解真正的大数,也就是上千位的二进制数。

Shor算法神话破灭之后,量子霸权神话又出现了。虽然我认为量子计算的理论基础存在严重问题,但是我能够接受量子霸权应用的出现,只要不是产生随机数这样的可有可无的应用就行。它应该明显区别与传统的实验,可以进行抽象的计算。

量子计算在全世界已经掀起巨大的热潮,量子霸权也已经实现了,投入那么多的人力物力,到2025年,还不出现一种像样的,足以威胁传统计算的应用,就实在说不过去了。

科幻中的量子神器

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科幻与量子理论

个人认为,除了基本的生存需求,科幻是人类最重要的思维行为,引导我们畅想未来,改变世界。无数的幻想今天变成了现实,飞行,探月,海底旅行,千里眼,顺风耳,……,以后还会有更多的幻想变成现实。

诞生于上世纪初的量子理论,是人类建立的最神奇的科学理论,促进了科学和技术的大发展,是现代社会最重要的科学基石。可是,虽然量子理论解决了我们碰到的几乎所有问题,却很难理解,让无数天才抓破头皮。量子力学的高深,神秘,却总是对的。

没有量子力学之前,很多诡异的幻想只能算志怪,魔幻,神话。有了量子理论之后,突然更多的,本来觉得荒诞不经的选择,出现在人类面前,怎么能不让人激动呢。所以,科幻怎么能够离开量子呢?

什么是量子?

简单地说,世界上所有的物质都是量子,物质既由量子组成,本身也是量子。只不过通常宏观条件下,量子效应不明显。那么能不能说量子就是物质呢?可以那么说。

虽然什么都是量子,但是却没有任何一个具体的东西叫量子。我们有电子,夸克,中子,质子,光子,原子,分子,……,等等,它们都是量子,或者量子的组合,但是我们不把任何一个具体粒子叫做量子(光子也叫光量子是一个特例,但是我们一般叫光子)。

所以可以说,什么都是量子,又什么都不是量子。

量子论最初由普朗克提出,他认为世界上所有物质,甚至物理量,都有最小不可分割的单位,该最小单位就叫该物质的量子。量子论最初的成功就来自于能量和角动量的量子化假设(黑体辐射公式和玻尔原子论)。后来还有人认为时间空间也是量子化的。要注意,虽然普朗克能量量子化的假设取得了成功,但是我们后来认为光子是量子化的,能量本身并不是量子化的(普朗克能量是非常大的一个能量,这里不再讨论)。

为什么物质我们并不觉得神秘,而叫成量子就很难理解了呢?

那是因为量子还有一个属性,与我们平常的概念矛盾。一般我们说的物质由实物粒子构成,实物粒子占据并且独占一定的空间,有明确的位置。德布罗意给出了量子的另一个基本假定,所有的物质同时又是波,叫物质波,而波可以占据但并不独占很大空间,可以和别的波也就是物质叠加。这就是波粒二象性。换言之,量子同时具有两个矛盾的属性。

量子有哪些神奇之处

测不准原理:你不能准确知道一个量子的位置或者速度(动量)。说不清一个东西在哪里,显然有悖常理。

叠加性:一个量子可以同时处在两个不同的地方,又没有确定地在任何一个地方,而是两个地方的叠加模式。一只猫可以同时死了和活着,又不是确定地死了,或者活着(薛定谔猫),还可以死得多一点,活得少一点。注意,死就死,活就是活,不是病或伤得奄奄一息。

实现薛定谔猫态的实验装置简图,Science27 Vol. 352, Issue 6289, pp. 1087-1091

隧穿效应:经典条件物体不能越过高于自己动能的势垒,比如桶里静止的水不会自动流到外面。但这种势垒不能限制住量子。放射性很多都是势垒穿透效应。装在一个杯子里的液氦就会越过杯壁流出去。可以理解为,人可以毫发无损穿墙而过。

超流的液氦。容器中的液氦会越过容器壁流出来。

量子纠缠与非局域性:相互纠缠的两个量子,一个发生变化,另一个无论相距多远,如何隔离,立即瞬时发生变化。非局域性指不受局域性原理,也就是相对论的限制,也就是以上影响可以超过光速。一般理解为,无论相隔多远,都可以瞬时相互影响。

实验中拍到的量子纠缠现象,Moreau et al., Science Advances, Vol. 5, no. 7, 2019

远程传送:可以将一个量子的状态原封不动地,瞬时地传送到远处。

量子远程传送原理,Nature。1997年已经实验演示

量子通讯:量子纠缠并不能传送信息,但是有研究者认为可以利用量子纠缠的原理进行远程控制,实际上也可以通讯。量子通讯绝对安全,不可窃听。

量子计算:量子计算天然地比传统计算快很多,而且可以解决传统计算不能解决的问题。量子计算武装的智能文明可以洞悉低等文明的一切秘密,知道他们的一切意图。

谷歌的量子计算机,实现了量子霸权。Frank Arute等,Nature 574, 505–510(2019)

时间倒流:量子力学中的时间并没有方向,薛定谔方程可以接受时间倒流。

量子计算机在实验上演示了时间倒流。

G. B. Lesovik et al., Scientific Reports (2019).

人的意识改变物理实在:参考网络热搜“客观世界并不存在”,物理世界会因为我们的观察而改变。

改变过去:意识或观测对物理实在的改变包括对过去发生事件的改变。有一种实验,叫做延迟选择,可以通过设置未来的测量选择,改变粒子过去的路径,也就是,在现在或未来改变过去。

延迟选择实验布局。事后的选择会改变光子以前的光路。

Kim, Yoon-Ho等,Physical Review Letters. 84 (1): 1–5

多世界诠释:为了解释量子测量的概率属性,认为所有可能发生的事情,都会在某一个宇宙中发生。是一种平行宇宙概念。可以理解为,人类社会中,所有可能的结局都会在一个宇宙中实现。

无法理解:诺贝尔奖获得者,神级物理学家费曼说过:“世界上没有人理解量子力学。如果谁说他理解了,正好说明他不理解。”爱因斯坦因光电效应获得了诺贝尔奖,但晚年也说过:“我一辈子也没有搞清楚光子究竟是什么”。

除了多宇宙诠释是一种理解方式之外,以上所有现象已经在实验上证明。包括类似既死又或的猫,量子纠缠,量子计算的威力,等等。

科幻中的量子神器

辐射,放射性:是一种通用神器,绿巨人,诱导变异,量子力学和粒子物理给出了放射性的原理和计算。放射性诱导变异有生物和物理学基础。但放射性更多的是破坏性和杀伤力,因此更多地出现在灾难片中。

《绿巨人》,主人公因辐射造成身体变异,得到神力。图片:Brandon Peterson

大小变化:科幻电影《蚁人》中说,科学怪人找到一种改变原子间距离的办法,可以让人变大变小。在量子力学中,如果电子质量变化,或者电磁相互作用强度变化,可以产生这样的效应。

《蚁人》,主人公可以缩小或变大身体

穿墙术(无破坏):也是一种常见神器。可以通过隧道效应理解。

《蚁人2》中的“鬼人”爱娃,可以穿过各种物体。

多维空间:不是严格的量子力学概念,是后继的量子理论如弦论的概念。作品有《星际穿越》等,但更多的是相对论因素。

多重现实:即平行宇宙。

心灵感应:量子纠缠。

身体更换:灵魂或者意识脱离现实而存在。量子纠缠、意识与物理现实的关系。

时间旅行,穿越:《大话西游》中的月光宝盒,《回到未来》,《终结者》系列等及非常多科幻作品中的时光机。每个人都会后悔自己的一些决定,希望回到决定发生的时刻做出另一个选择,时光机就成了大家耳熟能详的幻想装置。与量子力学的时间倒流,未来改变过去有关。

《星际》中,Coop利用引力超越时空的能力,将黑洞附近收集的量子信息传送回来,从而解出了引力方程。

平行宇宙:一个人可以有多重身份,进行多次选择。

远程传送:瞬时将人或物传送到宇宙中任何一个位置。由于星际距离太远,常规航线方式几乎是无限慢,还有双生子佯谬等问题,无法开展剧情,所以发生在宇宙星际的故事必须有快速移动的办法,没有相对论限制的瞬时转移就成了最佳选择。很早的电视连续剧《星际迷航录》(star trek)中,就大量使用远程传送方式,“Beam me up”成了口头禅。量子物理中的量子远程传送概念差不多能满足要求。还有常见的传送门等。

《星际迷航录》中的瞬时远程传送

快速进化:在很多外星文明入侵题材的科幻作品中,类似蚂蚁,蜜蜂之类的社会性生命快速进化,结合成一体,成为强大的不可战胜的综合体。这与量子计算概念相关,否则不可能进化那么快,并且方向总是正确的。

巨型生命:星球级生命,或者生命个体间可以全局通讯,如《阿凡达》中,每个人可以通过对接与整个星球的生命联系。相关概念是量子计算,量子通讯。

《阿凡达》中辫子或者尾巴可以互联,传递信息。

终极大杀器:摧毁星球,到摧毁星系的炸弹,叫量子武器,反物质武器,暗能量武器等,都行,具体工作机制不重要,也不一定有量子原理作为依据。叫做量子鱼雷,量子炸弹什么的,是因为“量子”的名字比较“酷”。一定要找到相应的量子原理的话,包括可以包括隧穿原理,反物质,质能关系,量子非局域性,量子远程传送,等。

《星际迷航录》中的量子鱼雷

聚变能源:冷聚变、钢铁侠的聚变核心,终极能源。一般需要用到隧穿原理。

《钢铁侠》中的聚变能源装置

量子神器的现实性

很多过去看来疯狂的想法,已经变成了现实,那么以上各种量子神器,是不是真的那么神奇,有多少会成为现实呢?下一篇文章中讨论。

科幻量子神器的现实性

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科幻是超出现实的幻想,但一般需要遵守科学原理的一些基本限制。由于我们对世界的认识,也就是我们的科学理论一直在发展之中,我们并不知道现在的理论是不是最终的答案,因此我们也不能要求科幻完全遵守现在的理论,这样的话,幻想和科幻的界限就不是很清晰。

但毕竟现有的科学理论是很多人,做了很多实验,进行了长期辩论得到的。特别是一些基础原理,比如相对论,热力学定理,等等。我们做了无数实验,找不到违背这些原理的例子,因此可以认为,未来这些原理也应该成立,而别的一些依赖假设、依赖模型的理论就不一定了。

科幻中的设想具体技术方案不一定可行,比如用大炮将人打到月球上,或者吃了草药飞到月球上(如果我们把神话当作原始的科幻),但是原则上有办法做到,那么我们都认可。有时候,理论中有类似的现象,联想出来的神器,我们也接受。

幻想只是幻想。科学工作者的职责就是探索未知,不断拓展人类的能力和认知,走向终极自由,但也包括从已经认识的基本原理出发,认真评估各种设想,判断它们的可行性,以避免不必要的人力物力浪费。否则那些炼丹修仙,永动机,投胎转世,都成了合法的科幻,并且应该坚持投入研究了。

那么,科幻作品中的那些量子神器们,是不是真实可行,或者有什么别的办法,迂回实现呢?

我们就从现在了解的基本理论出发,分析一下上面量子神器们的可行性。

辐射,放射性:

放射性不是非常“量子”。放射性可以诱导基因重组,但一般基因改变造成的影响大多数是负面的,会导致生命体病变。一次辐射剂量过大可以导致生命死亡。剂量较小的情况下,虽然也有很小的可能性改进人体的功能,但是需要一代一代,一点一点地改进,每一步都是错多对少。如果像电影中描述的那样,一代一代都用较大剂量辐射,该个体的繁衍坚持不了几代。像《绿巨人》那样,体型体格都发生巨大变化,还能变回去,当然不可能。人不是昆虫,形体不可能发生巨大变化。考虑到物质不灭定律,能量守恒定律,体型(体重)的大小变化显然是不可能的。

大小变化:

《蚁人》中大小变化的理由是原子间距离变化,我们说过电子质量变化,或者电磁相互作用强度变化可以实现这一点。如果的确可以实现的话,并且除了变化的物体,别的物体不变,那么的确可以相对变大变小。这里有几个问题。首先,随着尺度变化,占原子质量99.9%以上的原子核质量不能变化,这样人的密度就会大幅度变化,变化幅度是尺度的三次方。如果一个人变成蚂蚁大小,大概是0.01立方厘米,密度就会增大约一千万倍。致密的他站在一个任何地方,就会在他的脚下产生巨大压强(按上面的数字可以估算出大约是5000大气压,一般钢材屈服强度是3000大气压),地面无法承受他的压强,直接掉往地心,什么都挡不住。如果变大,就会有相反的问题。他的密度会变得特别小。只要变大10倍(几层楼高),密度就会降为千分之一,低于常温常压下的空气,直接飘向空中,需要抱住重物才能站在地上。

如果质量跟随变化,就会有质量的产生和消失问题,牵涉到的能量是几百万颗巨型氢弹释放的量,显然太夸张了。

再假定质量变化也不考虑,那么原子距离变化导致电子能谱变化,我们看到蚁人身上各种材料的颜色也会变化,原来的颜色都不见了,不是纯白(金属),就是纯黑,我们眼睛敏感的可见光波长在这样的物质中,不在价电子能谱范围内,因此看不到任何彩色。

量子隧穿穿墙术:

直接拿量子隧穿的隧穿概率与能量/势垒高度关系计算,会发现任何宏观的物体,隧穿的概率是无穷小。隧穿的可能性太多了。完整隧穿一堵墙比散得四分五裂,原地爆炸的可能性小无穷多倍。如果考虑能量与时间不确定性关系等的限制,隧穿穿过一堵墙的可能性是零。

多维空间:

多维空间本身是一个合法的概念。我们的世界本来就是多维的,只不过我们无法“进入”额外维,那些维度本来就是我们世界不可分割的一部分,它们已经体现在物质或时空的性质中,并不会出现超过我们认知的其它交流或相互影响手段。

多重现实:

多重现实,或者平行宇宙的概念需要一些很强的假设。这些假设无法证明,也无法证伪。信就有,不信就没有,所以有人把这类概念归为哲学,而不是科学。

科幻作品中,经常设计不同宇宙(现实)下的人物互相影响,实际上违背了多重宇宙的基本假定。如果可以影响,就属于同一个宇宙。

心灵感应:

一般认为,心灵感应的理论基础是量子纠缠。实验室观察到的量子纠缠现象是一种普通的相互影响,没有超出我们对普通相互作用的理解。改变一个部分,另一个部分相应改变,如跷跷板,并不神奇。超距即超光速影响是对实验现象的错误解读。心灵感应这种现象并没有物理的理论基础。同时想到,或者符合逻辑地想到一件事情,是可能发生的,但这种现象是概率性的,两者之间没有因果关系,也不能作为行为的依据。

身体更换:

身体更换需要意识脱离身体存在。科学上,意识是大脑对周边环境及历史事件的反映,不能脱离其主体独立存在。要更换身体,就必须更换大脑。原则上并不是不可行,但是大脑更换这样的手术太复杂了,需要很长时间愈合,大脑也需要时间适应新的身体,显然不能点一下、碰一下就能完成。

时间旅行,穿越:

对于复杂系统,时间有很强的热力学属性,不可逆。从微观上看(场论层次),任何系统都是复杂的,时间仍然不可逆。时间可逆仅适用于简化模型。因此,时间是不可逆的。穿越到过去不能成立。还有一个理由是,过去已经过去了,已经不存在了,要穿越到过去,相当于把过去搬到将来,也就是把一个不存在的东西搬到将来,逻辑上不成立。

穿越到未来倒是可能的,首先,我们每时每刻都在走向未来,其次,如果你想超过你的寿命存在,可以通过相对论时移,冷冻休眠等方式,进入到正常方式无法进入的长距离未来(相对于寿命)。

平行宇宙:

参考前面的多重现实。平行宇宙理论假定了这些宇宙之间不可能有联系,否则就不“平行”了,有联系的话,不仅破坏了假设,还破坏了量子幺正变换的原则。

远程传送:

远程传送超光速,不超光速就没有意义了。超光速就违背了狭义相对论,我们现在还没有发现违背狭义相对论的现象。如果本地质量消失,还违背质量守恒定律,质能等效原理,也就是爱因斯坦的E=Mc2

快速进化:

随着人类对自然影响的增大,我们的确在环境中发现了很多快速进化现象。在几十年,或者几代动植物之间,动物的性状发生较大变化,但仅限于颜色变白变黑,翅膀变长变短,体型变小等变化,勉强可以分类成另一个物种,但是既不是几天几小时的快速变化,也没有那么剧烈。长期,比如几万年,就很难说了。但科幻作品中一般会让物种的进化得到超自然的力量,这是另外一个问题。

巨型生命:

这是可能的。实际上,我们人类通过信息系统,已经进化成了一定程度的超级人类。我们有合作,分工,已经拥有了超级力量,可以上天入地,有海量知识,和超级智力。

终极大杀器:

这已经有了,就是原子弹,氢弹,或者未来可能的反物质武器。但是我们掌握的能量,距离毁灭星球,特别是恒星,还差得很远。就算去做,也会是一个持续上百万年的大工程,比如调一颗中子星,或者黑洞过来。不可能发射一个小东西,就造成恒星或者大行星级别的巨大破坏。

叫做各种“量子”的武器,也就激光还靠一点谱,不过实在太弱了。

聚变能源:

聚变长期被当作人类的终极能源。但聚变没有那么神奇。首先,人工可控聚变能源看起来虽然比其它能源多很多倍,但是与太阳发出的能量相比,连零头的零头都算不上。其次,聚变要输出能量很难,即使能够实现,产生聚变需要的装置很复杂,体积巨大,成本高昂。目前还看不到小型化的希望,以后也很难说。但是对于聚变能源的幻想是合法的,长远看,有可能实现。

注意,我们前面说过,量子的很多神奇特性都在实验室验证过了,比如超光速量子纠缠,时间倒流,改变过去,等。不完全是这样。客观的表述是,有人认为那些实验证明了量子的那些特性,但是也有很多人认为没有。比如时间倒流实验,你可以用时间倒流来解释实验,但是别的理论也可以解释。其它的实验也是如此。发表的实验,和他们对实验机理的解释,不一定是对的。所有的神奇实验,都可以用不那么神奇的理论解释清楚。无论是杂志,还是大众,都喜欢从神奇的角度来解读实验,每个人都相信自己愿意相信的事实,而不是客观事实。现在还有很多人在做永动机,并且宣布自己的方案已经实现了无穷无尽的清洁能源,不需要消耗外界能源。搞清楚这些实验究竟说明了什么,是每一个严肃科学家的职责。特别是主张者的理论很离奇的情况下,用受到了更广泛检验的,朴实的,普适的理论,纠正各种错误的、神奇的理论,更应该成为科学家们的准则。

量子信息研究中的量子究竟是什么?

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量子是什么?世界上所有的物质都是量子,物质既由量子组成,本身也是量子。只不过通常宏观条件下,量子效应(波动性和量子化)不明显。

虽然什么都是量子,但是却没有任何一个具体的东西叫量子。我们有电子,夸克,中子,质子,光子,原子,分子,……,等等,它们都是量子,或者量子的组合,但是我们不把任何一个具体粒子叫做量子(光子也叫光量子是一个特例,但是我们一般叫光子)。

既然什么都是量子,但是,为什么我们讨论原子,电子,光子,……,的时候,没有觉得它们有什么特别,但被叫做量子后,就特别神奇了呢?可以纠缠,可以计算,可以超距作用?

量子信息研究中的量子实在太神奇了,不需要满足相对论的要求,也就是局域性的要求,可以隔空相互作用(量子纠缠),可以超光速传递(量子远程传送,quantum teleportation),难道它们不需要是具体的粒子吗?具体的粒子不需要满足相对论的要求吗?为什么叫做量子就不需要遵循普适的局域性原理了?

看具体的实验,量子信息中的量子也是光子,电子,原子,或者超导,固体中的一些模式。从物理的角度来说,这些具体的粒子或者模式,都必须满足局域性要求,即相互作用、相互影响不能超光速。把它们叫做量子也不行。

迄今为止,所有的量子信息实验涉及的基本相互作用,最后都可以归结到电磁相互作用,而电磁相互作用是必须满足相对论要求的。可是,量子信息理论用到的理论基础,即非相对论量子力学,明确违背相对论,所以才有那些神奇的超光速纠缠、远程传送等现象。那么,电磁相互作用到底需不需要满足相对论要求?

量子信息必须澄清自己和相对论的关系,认可量子的非局域性,就是认为量子违背局域性原理,也就是狭义相对论。也就是说,认为非相对论量子力学正确,认可量子的非局域性,就是认为狭义相对论不成立。

量子非局域性,狭义相对论,两者对局域性的描述矛盾,这种排斥性描述有且只有一个是对的。量子信息研究者需要澄清自己究竟站在哪一边。

当然我们知道量子信息是认可量子非局域性的,那么请你们明确表达你们不认可狭义相对论。我并不认为狭义相对论是不可以反对的,但是请你们澄清,不要含糊其辞。

你们还需要说明,你们心目中的量子究竟是什么?它们是不是具体的各种粒子或物质?它们是怎么变得神奇和无法理解的?

首次!科学家利用量子纠缠现象实现信息“瞬间”传输——真的吗?

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前两天的报导:

首次!科学家利用量子纠缠现象实现信息“瞬间”传输:

https://www.ithome.com/0/465/497.htm

注意这里的关键词:

第一是“瞬间”,也就是超距,超光速了。

第二是“量子纠缠实现信息传输”了,量子信息以前可是赌咒发誓量子纠缠无法传递信息的,虽然为什么也说不清楚。

量子信息研究真是越来越精彩了。

“新年”的说法是一种量子思维

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新年的说法其实是约定俗成的量子思维。时间,至少在宏观尺度下,不是量子化的(微观尺度是不是呢?我知道有人那么假设,但是我认为缺乏证据)。

但是我们人为地把宏观的时间分成一年一年,一天一天,虽然我们知道,每年或者每天的长度是在缓慢变化的。一年的开始更是任意,不同的文化中,新年开始的时间不一样,一年的长短也不一样。只不过“公历”,或者以前叫“西历”,的历法被广泛接受了,才有比较公认的新年,也就是一年从哪一时刻开始。西方基督教世界中,最重要的节日“圣诞节”和新年很近,新年的气氛浓厚一些。根据考证,圣诞节其实起源于更古老的埃及传统节日,就是天狼星开始明显上行的那一天,即冬至后大约第三天,当然也是太阳开始明显上行的日子。用这一天标志一年的开始还是很直观的。但现在的新年还要晚上几天。对于北半球中纬度的古代文明来说,从冬至到立春,甚至更晚,随便找一天当新年都是可以的。

所以,新年这一天,这一刻,并不特别,不过是“现在”这一时刻的正常平移。

但是,量子化表述的一年一年,本身并不是真的量子化的,其实有更深刻的寓意。

量子纠缠的世界是无法认知的

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一般量子信息讨论的量子纠缠,是非局域的,超距的,两个量子无论相隔多远,都可以“瞬时”相互影响。但是不能传递信息,以不违背爱因斯坦的因果律。对此,还专门有一个定理,就叫量子纠缠不能通讯定理(No-communication theorem)。

量子纠缠并不限于两个量子之间,多个量子之间也可以纠缠。量子纠缠也不限于同种量子之间,不同的量子之间也可以纠缠。量子只是一个通称,原则上所有的物质,包括光子,都是量子。因此所有的物质,或者说,物理实在之间,都可以纠缠。

怎么才能知道两个客体之间有没有纠缠?原则上需要针对可能纠缠的性质做很多次统计测量,看看是否存在相关。如果只有一个样本呢?或者测量一次,状态就变了呢?那么,无法知道两者之间是不是存在纠缠。

任意两个或者多个客体之间有没有纠缠的影响很大,但是却没法知道,是否存在纠缠?存在什么纠缠?因为事件只发生一次。

那么,这样的世界如何认知?我观察到了一个事件,不知道这个事件是不是是别的事件引起的?多少事件引起的?也不知道是不是影响了别的事件?影响了多少事件?注意,这种影响是“瞬时”发生的,不需要时间。也就是,无法确定因果。

实际上,如果要以量子力学的薛定谔方程为依据的话,全宇宙所有量子都是全部关联,全部纠缠的。任何一个量子发生变化,全宇宙马上就能感受到这一变化,并相应调整整个宇宙的波函数。这是非相对论量子力学的基本世界观。“瞬时”来自于其非相对论属性。

整个宇宙的全纠缠,让我们无法分析和认知单一或者部分组分,比如单一的量子。以前我们分析的基本方法,还原法,也就是把需要研究的系统孤立起来,做不到。因为我们不知道,我们认为已经孤立的客体,是否还和别的客体有纠缠。量子纠缠无法隔断,也不衰减。

所以,一个非局域量子纠缠的世界是无法认知的。至少无法以还原的方式认知,因为还原后的体系无法排除未知的影响。那么我们可以完整认识整个宇宙吗?恐怕也不行,因为宇宙在不断发生变化。非相对论量子力学认为每次变化都会影响全宇宙。因此,我们既无法认识局部,也无法认识整体。

那么又如何产生纠缠?或者说,如何让两个量子纠缠起来?

很多年前,一位学生,在一次学术报告中,问演讲人,也就是现在的一位量子信息大拿,这个问题。该大拿的答案是,“我们做一个幺正变换”。我在场,当时忍不住笑出声来。

我知道学生想问什么,也知道大拿回答的是什么意思,也知道学生一头雾水。

幺正变换是什么意思?幺正变换是一种基本的线性变换,用听得懂的话来说,就是从不同的角度看同一个问题(线性代数的语言,是选择另一组基)。也就是,任何两个量子,我们从某个角度去看,它们就纠缠上了。难道这不是什么也不用做吗?换个角度看这个问题就行了。本来,在原教旨非相对论量子力学看来,只存在一个全纠缠宇宙,你可以选择一个小的态空间,不包括你不关心的纠缠就行了。但是,选择性地无视,就没有了吗?这是一个问题。

因此,要么世界无法认知,要么非局域量子纠缠概念有问题。

Sean Carroll关于“没有人懂量子力学”的说法

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Sean Carroll在理论物理,包括量子力学,引力论,宇宙学方面做了很多工作,在加州理工工作。

他最近在剑桥达尔文学院讲座系列中的一个报告专门讨论现代物理的令人费解之处,题目就叫:

Mysteries of Modern Physics

(现代物理的难解之处)

其中专门讨论了费曼的“没有人懂量子力学”这句话(1840处)。量子力学不懂派的朋友们可以参考一下:

视频:

来自:

他提到了关于这句话的各种讨论,包括shut up and calculate。

他说关于量子力学,大家并没有达成共识,但是如果不去尝试,不去努力搞懂,是不对的。

量子力学不懂派朋友不仅放弃了自己尝试,还禁止和嘲笑别人尝试,比如对雷某人的攻击。

如何理解各种量子力学干涉实验

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前面写过一篇文章:

《为什么说延迟选择实验是普通的相干现象》:

http://blog.sciencenet.cn/blog-268546-1190943.html

还有人觉得很难理解。这里再补充说明一下:

干涉现象是波的性质。所有的量子干涉实验,用经典波的方式也能够重复,但实验装置需要保证惠更斯原理成立,也就是该透射的地方有透射,该反射的地方有反射。

如果用经典波实验,会发现“延迟”和干涉的建立都需要时间。一般经过几个周期,或者传播时间,就会建立起干涉图案或者某种本征模。

全局的波动干涉,本征模等现象,都是是通过局域的波动过程逐渐建立起来的。非相对论量子理论是一个本质的全局理论,会直接给出干涉和本征模的解,看不到这些现象的建立过程,或者说,通过不需要时间的“坍缩”发生。摆好实验布局的过程,就是测量,整个实验是一个测量。不要再把实验分成多少个有先后的步骤,在量子理论看来,或者说薛定谔方程看来,就是一个确定了边界条件的微分方程。实验条件设定了,也就是边界条件确定了,解就确定了,不存在解的建立过程。

但实际的实验是在满足局域性原理的世界中做的,如果波的速度慢,比如经典波,我们可以看到全局干涉模式,或者本征模的建立过程,如果波速很快,比如光速,我们一般看不到全局模式的建立过程。

举两个具体的例子:

1、笛子按住不同的孔,会发出不同的音调,该音调是当时的本征振动模式。在切换孔洞的时候,音调是有一个连续的变换过程的,但是一般我们注意不到,灵敏的仪器可以测量到这一连续的变换过程。这是真实的过程。

而全局理论的理想过程中,认为笛子变调不需要时间,按住不同的孔,对应的是不同的本征模。所以曲谱上的音长音高标记是理想标记。但是我们认为理想的理解就够了,不需要知道切换过程。当然,乐器本身应该能保证这种连续切换可忽略。

2、在黑暗房间里开灯,灯马上就亮了。实际上房间有个从暗变亮的过程。除了灯本身是通过一定的过程从暗到亮,灯光在房间里的反射、散射也会起作用。如果房间的整体反射率为50%,最后房间的亮度是没有反射的2倍。但要经过1+0.5+0.25+0.125+…=2,无穷次反射才达到恒定的亮度值2。但一般只要反射十来次就很接近了,眼睛无法感觉到后面的差别。而十来次的反射只需要不到一微秒,人眼根本感觉不到这一过程。各种复杂的阴影、色调,也是类似反复反馈产生的。由于过程很快,所以我们认为它们瞬间发生。但如果要刨根问底,“瞬时”突然建立复杂反馈的模式,显然是无法理解的。

干涉效应也是一样的,比如琴弦上的驻波,就是两列不同方向波的相干叠加结果,但是拨动琴弦到建立驻波还是有一个过程,高速摄像可以看到这一过程。延迟选择实验只是后面光学器件对光的反应反馈到前面,逐渐建立的干涉过程。

非相对论量子力学是理想的波动理论,每列波,或者说薛定谔方程的解,都是全局的(除无限深势阱),理想的,没有解的建立过程,所以不能用来理解有先后因果的过程。“非相对论”就意味着因果关系失效。局域理论中出现的复杂反馈和模式形成过程,在非局域理论中,体现在微分方程(比如薛定谔方程)的势函数和边条件上。

量子非局域性?还是量子全局效应?

admin 发表于 量子力学 分类,标签: , ,
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如果这个世界上还有什么令人困惑的科学概念的话,量子纠缠应该排在第一。一般描述量子纠缠,也就是我们经常听到的“诡异”超距互动,两个或多个粒子可以在间隔非常远的情况下瞬时影响。这一性质被叫做量子纠缠的非局域性,也就是不受局域性原理限制的性质。而一般认为,局域性原理是普适性原理,是狭义相对论的基本要求。由于量子纠缠广泛存在,如果量子纠缠是非局域的,就意味着局域性原理不成立,也就是狭义相对论不成立。

但是我们在关于局域性原理的表述中,可以找到关于量子纠缠的说法是:量子体系可能不遵守局域性原理。也就是,人们关于这一点的认识,还存在争议。

量子纠缠的非局域性概念如此违反直觉,也违背了基本的物理原理,那么是怎么建立的呢?这可以算是现代科学史上的最重要的实验系列了,也就是贝尔实验。1964年,约翰贝尔提出一套统计分析方法,用来区分当时认为仅有的两种可能机制,即满足局域实在论的隐变量理论和非局域理论(或者叫量子力学理解)。1972年以来的所有实验都证明了,隐变量理论不成立,所以大家都只能认可量子纠缠的非局域性了。

但是,我们经过分析发现,虽然贝尔实验否定了基于局域实在论的隐变量理论,但是却并没有证明量子纠缠的非局域性。我们注意到,一般对量子纠缠的描述中,说“无论相隔多远,对纠缠粒子对一个的测量导致另一个粒子同时坍缩到对应状态”,这个“导致”是因果联系,从来没有得到实验证明。贝尔实验只是证明了存在远程相关,并没有证明这种相关存在因果。

没有直接因果关系的相关在自然界是广泛存在的,所有的波动现象都是。量子也是波,当然会存在相关。

我们发现,所有的贝尔实验都可以用全局效应理解。全局效应和非局域性的共同点是:都存在远程相关;不同点是:非局域性存在超距因果,全局效应不需要超距因果,是局域相互作用演化得到的全局模式。

全局效应的一个简单例子是吹笛子。笛子在堵住不同孔洞的时候,本征频率不同,但是激励(吹气)是一样的,激励频谱很宽,本征频率被放大,其它频率衰减。手指变化的时候,本征频率也变化,但是这是一个满足局域性原理要求的过程,原来本征频率振动的消失,到新本征频率振动的放大,有一个变化过程。本征频率是笛子的全局性质。如果笛子很长,各种模式的振动衰减掉之前,还没有碰到一个形成反射的结构,就不会有本征模式。

再看一个例子。一个自由粒子的波函数是平面波。如果突然把它夹在一个两块无法穿透的板之间,也就是放在一个无限深势阱内,该粒子的波函数立刻变成一些离散的固定频率驻波的叠加,因为波函数必须保证在边界为零。数学上看,我们给一个微分方程(薛定谔方程)设定了边条件。如果我们移动边界,频率组合会随之变化。边条件的影响是全局的,也是瞬时的。这是传统量子力学的标准图像。

所有的波动现象都是全局效应。一列波任意两点都是相关的,但是都是对波源的响应,与波源有因果关系,而这两点之间不一定有因果关系。

在贝尔实验中,如果产生的“光子对”空间相干范围覆盖了测量仪器,那么测量仪器就像笛子孔的位置一样,影响了光子对的产生,所以光子对产生是一个全局效应,而不是光子已经分离到两端(两个局域光子)的非局域关联。没有理由认为两个光子是分离的,局域的。实际上,这里是一个悖论,既然量子是非局域的,就不能假定两个光子是局域的。如果两个光子都是非局域的,就不能认为它们是分离的。这里还有一个光子究竟是什么的问题,参考爱因斯坦对光子概念的疑惑。

2015年的“无漏洞贝尔实验”,通过光纤将两个金刚石色心连接,构成共振结构,二者的“纠缠”实际上是共振。实验结果很平凡。

传统的量子力学中,量子的相干性是理想的。对于任何一个波函数,只需要描述其几率幅,完整的波函数只是再加上一个含能量随时间线性变化的相位和一个任意的初始相位。在全空间,波函数的相位处处相等。但是我们知道,量子力学体系和经典局域体系的差别就在于体系有没有相干性。传统量子力学根本不讨论相干性,因为必然理想相干。后来关于退相干的研究,完全是唯象的描述,没有机制。

我们认为,贝尔实验的非局域性,实际上是一种全局效应,而全局效应的有效范围,受系统相干性的有效范围限制。这种认识可以通过实验验证。

我们知道,根据定义,非局域量子纠缠只与两个纠缠的粒子有关,与距离或任何别的因素无关,只要没有发生有效测量。而全局效应则受到量子效应的范围限制,也就是相干范围限制。如果我们可以控制量子纠缠系统的相干范围(距离),就可以区别量子纠缠究竟是非局域的,还是一种全局效应。

比如,对于双光子偏振纠缠系统,我们可以用非相干的光源照射光子对发生器,或者激光源进行进行切割,调节信号的相干范围,测量相应的纠缠情况。如果纠缠是非局域的,那么不应该发生变化,如果是全局效应,纠缠度会相应变化。

实验实际上将检验两个问题。第一个问题是,纠缠,也就是全局效应有效的范围,是不是就是相干范围。如果是,那么纠缠就是一种全局效应,而不是非局域的。第二个问题是,传统非相对论量子力学的有效范围,或者说,与经典局域理论的的边界,是不是就是相干范围,即,量子力学如何逐步随着相干性减弱过渡到经典理论。两个问题都是量子力学的最基础问题。

我猜测,所有的量子现象,都是量子全局效应。