030331量子物理学的实验与哲学基础-安东·泽林格-第2章

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　　现在的观点是，信息对于解释量子物理学起着至关重要的作用。如果对于粒子的路径选择有任何信息，那么就不会有干涉。人们能否知道这个信息并不重要，关键是到底有没有这种信息的存在？另一方面，如果没有任何信息，无论你花多少钱也得不到这种信息，那么就会看到干涉。这个理论很有意思，因为干涉图形，那些条纹就包含着信息。所以你可以选择；或者知道粒子选择哪条途径；或者在干涉图形中获得信息。这说明信息在其中起着非常重要的作用。我在演讲的最后还要再谈这个问题。

　　在我们的讨论中，另一个很重要的概念是纠缠态。对于不是学物理的人来说，有关这个物理学公式就不多作解释了。这个问题是1935年由爱因斯坦、卜朵尔斯基和罗森提出的。它与至少两个以上的，以一种非常有趣、非常密切的方式联系在一起的粒子有关。

　　现代量子力学的创始人之一薛定锷，发展了一种量子力学理论。薛定锷在1935年称量子纠缠态为量子力学的本质，量子力学最主要的特征。他的意思是说，如果有两个系统，简单起见，这里用两个骰子表示两个系统。当你去测量时，每一个骰子都会给出一个完全随机的结果。然而，一旦你去测量一个骰子，对另一个的测量结果就被确定了。更严格地说，一旦你去测量一个粒子，另一个粒子的量子态立即就被确定了。但是在测量之前却是完全不确定的。对于像光子之类的粒子来说，我等一会还要谈这个问题，这与光的粒子，光子有关，这意味这极性是完全相关的，无论是水平的还是垂直的。爱因斯坦称纠缠态为幽灵式的超距作用。两个系统，对一个系统的测量，就能确定另一个的状态，无论它们相距多远。

　　爱尔兰物理学家约翰·贝尔在二十世纪六十年代，对这种情况进行了研究。他试图通过一个简单明了的假设来分析这个问题。如果两个系统之间有这种完全相关，那么自然地这也是爱因斯坦提出的观点，那么自然地就可以推断，这个粒子带有一种性质，这种性质可以确定测量的结果。这种隐藏的变量性质超出了量子力学的范围。就如在色子的例子中，骰子以某种方式可以知道它要给出的点数，而我们也就可以做出自然的解释。贝尔定理说明，这种解释是不可能的，所以粒子之间的完成相关就不可能有解释。这种完全相关是基于粒子本身所具有的性质的。所以现在对于粒子的非定域性又一种说法，量子非定域性是用来描述这种情况的，也就是说一个粒子对于另一个粒子的依赖是非定域性的，这种相关是即时发生的，不是以光速发生，不是以任何速度发生，两个系统之间相关性的产生不需要任何时间间隔。有的情况很有意思，当你考虑两个以上的例子时，情况就特别有趣。例如三个粒子，被称为三个量子位，可以形成一个纠缠态，就会产生这种情形。在这种情况下，就出现了一种被称为局域现实的概念，就是说系统的性质是在局域确定的。

　　现在我来谈谈关于应用的问题，量子理论不仅仅是学术研究，它不仅仅是我们理解世界的一种有趣方式，它也对信息处理提供了许多有趣的新概念。一个就是量子计算机。世界各地都有许多研制量子计算机计划，我知道中国也有。我不想详细地谈有关的具体的硬件，也就是说，它到底是什么样的？因为今天还没有人知道，完全处于想象阶段。人们在尝试各种不同的途径，基本的概念是必需要有一个中央处理器，我借用一个著名的电脑芯片公司的名字，称之为“昆腾”。基本的概念是我们可以用量子叠加的方式来处理信息。例如，如果要计算开平方，我们可以把数字4和9，以量子叠加态的方式同时输入“昆腾”，那么量子计算机，或用物理术语来说，一种大量的纠缠状态，量子计算机就会计算出结果。不是一个一个地计算，算完一个再算另一个，而是以叠加态来计算，就如这个最简单的例子，我们就可以得到以量子叠加态的形式输出的结果，2和3。现在人们对于量子计算有各种各样的说法。我个人觉得，大家知道计算机方面有一种趋势，就是计算机变得越来越小，其元件如晶体管等等处理信息所用的电子越来越少，如果照目前的情况发展下去，就会达到量子水平。无论在哪里，这也可能需要二十年的时间。所以说有趣的是，一方面可以从上面开始，越来越小，一步一步发展到子水平，另一方面，量子力学可以从下向上发展，制造出量子计算机。这种情况很不寻常，使我们对未来非常乐观。但是还需要时间，我个人的估计是，至少需要二十年才有可能制造出量子计算机，不过在座的每个人都可能一举成名。如果你有发明量子计算机的好的想法，而且如果你的想法行之有效，你会马上世界闻名。好想法确实是非常幸运，非常重要的。

　　下面我要把我讨论的重点放在量子通讯上，因为量子通讯是最早在实验上有所进展的。量子通讯有许多用途，最早得到发展的是量子密码，在此我不想提量子密度编码，这样就会扯得太远。可能最令人激动的一种用途是量子远距传物。量子密码是一种对信息进行编码方法，其安全性是由自然规律来保证的，不依赖于实验者的技巧。

　　我现在就来介绍量子密码。量子密码最基本的思想是，人们无法在不破坏或改变量子的状态的情况下测量量子。所以当一个无权知道某种信息的人想要窃取信时，就很容易被发现，这是经常被用于实验的一些原则。我想提一下，在量子密码中有两种基本的观点：一种是使用口令，另一种是使用纠缠态。我的观点是，使用纠缠态的方法是未来发展的方向，但其要想有充分的发展却需要更长的时间，我等一会再说它。这是我们在2000年所做的实验，基本的思路是什么呢？基本的思路是有一个处于纠缠态的量子源，我们用的是纠缠态的光子对两个光子进行测量。在我们的实验中，它们的极性是纠缠态的，就有这种情况。我们假设极性是以这种方式处于纠缠态的，即如果被测量的话，两个极性是相等的。但是当实验还没有进行时，光子是没有极性的。我们所做的是向这里发射一个光子，向这里也发射一个光子，这里是测量站。在两边我们测量光子的极性，这是极化器，这也是极化器产生两个结果，一个正的，一个负的。每一边的结果都是完全随机的，这种情况没有任何内在原因。对于发射的具体的每一时光子来说，可以得到一个正的，一个负的，但是如果测量极化器，在平行方向上两边的数量是一样的。所以如果你重复地用许多对光子做实验，就会得到两个随机的序列，两组完全相符的随机数字序列。这种随机的序列可以用来作为密钥，在以后为你想传递的信息进行编码。同时，为了种种目的，还有传统的通讯途径。

　　我要说明，这个设计是由阿图亚格在1990年提出的，经过了将近10年才得以实施。同时有一个传统的通讯途径，也就是说在两边各有一台计算机，以交流一些信息。例如，在何时双方都接收到了一个粒子，而且为了保证信息不被别人获得，阿丽丝和鲍勃还采用了一些有趣的方法。就是说，他们不仅以一个方向来测量极性，如垂直方向，而且还会偏转45度，他们进行随机的变换，不受对方影响，在两个方向上随机变换。所以，很显然只有在他们碰巧变换到同一方向上时，两边才能接收到同样的粒子数。所以他们之间必须有交流，在何时他们采取的是哪个方向，而把他们不在同一方向时的结果忽略。进一步地，他们还通过选择检查其中的某些数字是否是相同的来避免泄密。一个小的数字集合，看看它们是否一样？因为任何人要窃密都会破坏它们的完全相关。这是两个密钥，这是原来的信息，这是个非常著名的人像，大约这么高的人像，是在离维也纳不远的地方发现的，有两万五千年的历史了，是最早的人像之一。我想告诉你们，我们为什么选择这个人像？原因是我们想要一种表现和平的东西。我们不想用任何象征战争的东西或诸如此类的东西，任何能用于军事上的东西。我顺便还想说一下，显然量子密码的主要的潜在用途是在银行和工业方面，而不是在军事方面。我们所做的是生成这两个密钥。

　　这是一种随机的图案，可以看出是完全随机的。这是用图形所表现的大量的随机序列，在我们实验中大约是六万比特。要知道这两个密钥是在两边同时产生的，这很重要。在常规的密码中，你必需把密钥由A处传至B处，而在这里却不需要传递，它们在两个地方同时生成，所以就不存在安全传递方面的问题。可以看出两个密钥是一样的，所以要做的就是以某种特定的数字方式把这两个图形结合，就会产生这种图像。这个图像也是完全随机的，因为密钥是随机的，所以超级计算机也无法破译这种信息。但只有在密钥第一次使用时是这样的，如果使用第二次，那就失效了。如果只用一次，那么别人就无法破译这个信息。鲍勃有同样的密钥，所以就能很容易地破译密码。局限性之一在于，传递的距离只能是二十至三十公里，无论在空间中或在光纤中都是如此。所以在目前量子密码只能在大城市中应用，例如在北京的各个银行之间。但问题是如何做远距离的联系。现在来说一点关于未来的事，我们现在要做的另一个实验是在多瑙河两岸建立一个量子通道。大家知道维也纳位于多瑙河畔，在多瑙河下面用开关管铺设了用于量子远距传输、量子密码及其他量子态情况的长途通道。我们的远期计划是在太空中建造量子光学系统。我说过量子密码的应用中存在的一个严重的问题是距离无法超过二十至三十公里，就是因为衰减和光子丢失，我们无法放大光子，这是个大问题。如果放大光子是可能的话，那就违背了量子力学的基本原理。如果要解决在地面上的两地传输问题，就要在向太空发射卫星，并在地面上的某处和太空中的某处之间建立量子联系。这是可行的。因为问题只是空气，而空气大约只有十公里的厚度，如果把大气层压缩到我们所处的这种密度的话，那它只有大约十公里的厚度，所以在这个地面站和这个卫星之间建立量子联系就很容易。同样在这个地面站和这里的卫星之间可以建立量子联系。在这种情况下有很多方法，一个简单的方法是发射一颗的卫星，这个卫星在这两点之间产生一个密钥。然后卫星在地球上空移到另一个地方，再在这两点之间产生一个密钥，那么很简单就可以使两个地面站之间产生想要的密钥。这是很直接的办法，而且切实可行。我们现在正在研究并准备很快付诸实施的另一个想法，是在这里建立第三个空间站，使与地面的两点相联系的两个卫星可以通过它进行即时的联系。这些想法所需要的是，要在卫星上配备处于纠缠态的光子源。所以我们必需要开发很小的，能放到卫星上的纠缠态光子源。这并不困难，如果一切进展顺利的话，这也不过是只有几克重的物质。所以我们期望在最近几年内就能够看到这种结果。

　　现在我再回到哲学问题上，我们从开始的哲学问题，然后到实验，然后到技术应用，绕了一大圈，现在又回到了哲学问题上。首先量子力学是非常正确的，问题是这意味着什么。我在这里简单地谈一下我们对此的理解。实话说，我们的理解可能是错误的，我随时愿意承认这点，其他人可能有不同的理解。最基本的思想是，信息是量子力学的中心概念。所以，量子力学并不是关于现实的，而且关于信息的，关于知识的。我引用一些话来说明这点，例如玻尔说，无论量子现象超出经典的物理学的解释有多远，但是对任何事情的描述，都必需用经典的术语来表达。经典的术语是指逻辑的陈述，即一个判断是正确的，还是错误的。这是经典的信息。玻尔还有一段我非常喜欢的，但更加极端的话，并没有什么量子世界，只有一个抽象的量子物理学的描述。认为物理学的任务是去发现自然究竟是怎么样的想法是错误的。物理学只有关于我们对自然能做何描述。这也是哲学家们很久以前就告诉过我们的。就是说人们根本不可能判断自然到底是什么？我们只能讨论如何来描述自然。现在对一个很老的问题有一种简单的回答，这个问题是由美国著名的物理学家和生物学家韦勒提出来的。即世界为什么表现出是量子化的，最简单的理由是什么？暂且不管它，我说说这个理由。