【量子十問之十】第二次量子革命究竟要干什么?


激光通信(圖片來源于網絡)

量子力學是人類迄今最成功的理論,此理論衍生出諸如激光(光通信,互聯網)、半導體(電腦,手機……)、核能等,是造福于人類一個世紀的先進技術。但自量子論誕生一百多年來,科學家關于量子世界的奧秘卻一直爭論不休,迄今仍不知其答案。

手機電腦(圖片來源于網絡)

量子力學的第一個百年(第一次革命)人們主要只做一件事,求解薛定諤方程,并取得輝煌成果,研制成功激光、晶體管等新型器件,將人類社會引進繁榮的信息時代。這一百年,人們只能問量子力學能讓我們“做什么”,而不去問“為什么”。

核能(圖片來源于網絡)

量子信息的誕生打破了這個沉寂的僵局,因為量子信息領域涌現出許多新的物理概念,例如:糾纏、量子關聯、非局域性……;同時研發出新的實驗方法和工具,提供研究量子世界奧秘的新工具,點燃了量子力學的第二次革命。國際著名刊物《自然·物理》2014年發表編輯部紀念貝爾定理五十周年的評論,指出:將揭開“量子謎團”!

文見Nature 510, 312 (2014)

那么第二次量子革命究竟要干什么,這里有兩件事要做——其一是繼續“做什么”;其二是追問“為什么”。

  第一次量子革命只是基于量子力學的原理開發出新型的經典器件(激光、半導體、電腦、手機……)造福于人類,這些器件遵從經典物理規律。

  第二次量子革命則是直接開發基于量子特性本身的量子器件,這些器件遵從量子力學規律,它以量子態(量子比特)為單元,信息的產生、傳輸、存儲、處理、操控等全都基于量子力學規律,是地道的量子器件,稱為量子信息技術。其信息功能遠遠超越相應的經典器件,能突破現有信息技術的物理極限,在信息處理速度、信息安全、信息容量、信息檢測等方面將發揮極大的作用,這種嶄新的技術將給人類社會帶來翻天覆地的變化。

  目前正在開發的主要量子信息器件和技術,有量子計算、量子密碼、量子網絡、量子模擬、量子傳感等,這些量子器件和技術的物理基礎直接應用到量子世界的特性,如量子態疊加性,量子非局域性,量子不可克隆性等。第二次量子革命“做什么”就是開發基于量子特性的量子器件,促使人類從經典技術跨越到量子技術的新時代。

  第二次量子革命要做的另一件事,是追問“為什么”。主要聚焦在下列兩個方面:

  •   量子世界的奧秘

  •   量子世界與經典世界的兼容

量子世界(圖片來源于網絡)

 當前科學界關注的熱點問題有如下幾個方面:

  1. 量子世界與經典世界的界限問題(薛定諤貓佯謬)

  經典世界和量子世界遵循著不同的物理規律?,F實世界中宏觀物質(經典)由原子、電子等微觀粒子所構成。后者是量子世界,兩者和諧于同一個客體中,那么,經典世界和量子世界的界限在哪里?更具體的問題是:薛定諤的貓態在何處不再存在?在量子世界和經典世界的邊界附近是否有新的物理?當前,實驗物理學家正在努力制備更大的宏觀疊加態,以期對這一問題進行深入研究。

  2. 量子測量問題

  量子測量是量子力學基礎的核心問題之一。量子力學的哥本哈根解釋中,量子測量包含一個波包塌縮的過程,這個塌縮過程無法由量子動力學過程來描述。這就使得整個的量子力學需要有兩個不同的過程:幺正演化和波包塌縮,這是不可接受的。更大的問題在于,對于這個塌縮過程人們知之甚微。為此,物理學家們嘗試了各種能將波包塌縮過程去掉的量子測量理論,比如消相干理論,多世界理論等,然而到現在為止,人們仍未能找到一種令人滿意的量子測量理論。

  3. 隱變量和非局域問題

  量子力學測量結果的隨機性也是人們對量子力學不滿意的重要原因之一。為消除隨機性,人們嘗試了不同的隱變量理論,比如,貝爾的局域隱變量理論和玻姆的導引波隱變量理論。人們已經發現局域隱變量理論與量子力學是不相容的,這說明量子力學是非定域的。那么,量子力學和非定域的隱變量理論(如玻姆力學)哪個才是微觀世界更基本的理論呢?物理學家們正在設計實驗來區分和檢驗量子力學與非局域隱變量理論。

  4. 量子力學與因果律

因果律是公認的物理學中最重要的原理之一,狹義相對論建立了不同事件間的因果關系。按照因果律原則,人們發現,不同二能級系統之間的CHSH關聯可以達到4,而量子力學所能達到的上限是2。一個很自然的問題是:為什么量子力學的關聯被限制住了?這里面有什么新的物理原理?人們是否能夠按這個新的原理來重構量子力學?在這方面,物理學家們已經開始了一些嘗試,比如,引入信息因果。

5. 量子力學與相對論的融合

  量子力學和相對論是近代物理最重要的兩大支柱。然而,這兩大支柱之間的融合卻是當今物理學最大的困難。量子信息理論的發展為這兩個理論的融合提供了契機。新的研究發現量子糾纏在空間幾何化中可能起著關鍵性的作用,量子糾纏可能是空間的起源?;谶@一新的思路,物理學家們正在研究量子力學和相對論的融合問題,而且很有可能取得突破。

2015年5月,郭光燦院士在安徽合肥發起舉辦了首屆“量子力學二次革命”論壇

本資料由“中國科普博覽”(http://www.kepu.net.cn)提供


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