抛砖引玉,从量子说起

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/28 11:58:37
<br /><br />看了不少科普帖,感觉一些基本概念需要普及。我不是量子通讯方面的,做的东西也跟光子不相干,抛砖引玉,尽量简单的说一些物理学基本概念,但愿可以以其昏昏使人昭昭吧,呵呵。尽力做到通俗易懂。
什么是量子?单从中文理解,量子似乎是一种特殊粒子,就像光子电子一样,用量子进行的通信就叫量子通信,这个实际上是误导。量子的英文quantum其实更多的是一种指以粒子和波的观点来诠释世界的物理模型,在这种模型里,一些物理量不再l连续,必须看成是离散的一个个粒子或者波包。电子光子都是属于量子理论的模型,光子等价于电磁波,电子中子质子等价于物质波,这就叫波粒二象性。究竟是不是这么一回事呢?谁也不知道,只能说这样的模型可以解释现象,那么就是它了,物理理论和模型是认识客观世界的工具,量子论很好的解释了绝大多数物理现象,并且发展出今天的很多应用科技,所以物理学家们就继续用它。
现有的物理模型的核心观点有上面提到的物质也是波的波粒二象性理论。同时把所有相互作用都以场论进行解释,认为由粒子进行传递,粒子本身也是场等。四种基本相互作用里,衰减快的强弱相互作用只能在很小尺度上观测到,电磁和引力衰减慢,所以日常生活中接触得到。在这种模型里,信息传递显然不能高于相互作用传递速度,也即不能违反先因后果的因果律。epr佯谬古怪就在于,处于纠缠态的一对粒子分开以后彼此状态仍存在关联。那这种状态的关联是怎么做到的?是怎样一种机制让它们保持一致?这种关联能否用于信息的传播?这都是目前尚未解决的问题。很可能,现有的工具又不够用了,需要新的更新。<br /><br />看了不少科普帖,感觉一些基本概念需要普及。我不是量子通讯方面的,做的东西也跟光子不相干,抛砖引玉,尽量简单的说一些物理学基本概念,但愿可以以其昏昏使人昭昭吧,呵呵。尽力做到通俗易懂。
什么是量子?单从中文理解,量子似乎是一种特殊粒子,就像光子电子一样,用量子进行的通信就叫量子通信,这个实际上是误导。量子的英文quantum其实更多的是一种指以粒子和波的观点来诠释世界的物理模型,在这种模型里,一些物理量不再l连续,必须看成是离散的一个个粒子或者波包。电子光子都是属于量子理论的模型,光子等价于电磁波,电子中子质子等价于物质波,这就叫波粒二象性。究竟是不是这么一回事呢?谁也不知道,只能说这样的模型可以解释现象,那么就是它了,物理理论和模型是认识客观世界的工具,量子论很好的解释了绝大多数物理现象,并且发展出今天的很多应用科技,所以物理学家们就继续用它。
现有的物理模型的核心观点有上面提到的物质也是波的波粒二象性理论。同时把所有相互作用都以场论进行解释,认为由粒子进行传递,粒子本身也是场等。四种基本相互作用里,衰减快的强弱相互作用只能在很小尺度上观测到,电磁和引力衰减慢,所以日常生活中接触得到。在这种模型里,信息传递显然不能高于相互作用传递速度,也即不能违反先因后果的因果律。epr佯谬古怪就在于,处于纠缠态的一对粒子分开以后彼此状态仍存在关联。那这种状态的关联是怎么做到的?是怎样一种机制让它们保持一致?这种关联能否用于信息的传播?这都是目前尚未解决的问题。很可能,现有的工具又不够用了,需要新的更新。


EPR佯缪其实并不是佯谬,单独的这种远程“神秘”联系本身没有意义,总需要结合其他符合因果律的信息传输方式才能体现出现实的有效意义,比如量子通信里面必须依靠经典通道传递经典信息

所以这些佯谬更倾向于猎奇性质,或者说仅仅具备一种理论思想上的意义,甚至可能只是人类在目前观测和理解水平限制下的一种偏差

EPR佯缪其实并不是佯谬,单独的这种远程“神秘”联系本身没有意义,总需要结合其他符合因果律的信息传输方式才能体现出现实的有效意义,比如量子通信里面必须依靠经典通道传递经典信息

所以这些佯谬更倾向于猎奇性质,或者说仅仅具备一种理论思想上的意义,甚至可能只是人类在目前观测和理解水平限制下的一种偏差
EPR佯缪其实并不是佯谬,单独的这种远程“神秘”联系本身没有意义,总需要结合其他符合因果律的信息传输方式 ...
嗯,epr佯谬确实不等于超光速通信。目前难在如何解释这种关联correlation上,这种关联不一定是相互作用interaction。
量子通信本身需要载体,载体的编码发送解码接收都需要相互作用,所以看不出如何超光速通信。潘建伟的实验用的似乎是光子做载体?那么极限速度就是电磁相互作用的传递速度,也即光速本身。
cern最近有个实验检测到了中微子超光速现象。个人认为很可能是实验误差。如果不是,那就说明现有的弱电统一理论出了大bug。
lizzy322 发表于 2011-10-6 16:27
嗯,epr佯谬确实不等于超光速通信。目前难在如何解释这种关联correlation上,这种关联不一定是相互作用in ...
呵呵,光通信本来就是承载在光子上的,量子通信也是光通信的一种,光子经典信道只是传输全部信息的一部分(经典信息),此外还有纠缠对系统自身构成的量子信道,两者结合才能进行所谓的“量子通信”

所以量子通信不能仅关注直观上传统的传输信道和载体,更关键的量子信道的建立,比如纠缠态的制备和纯化
呵呵,光通信本来就是承载在光子上的,量子通信也是光通信的一种,光子经典信道只是传输全部信息的一部分 ...
现有信息科技看来都在力图做到量子层面,比如凝聚态方向很火的自旋电子学,就是试图以电子自旋本身来传递和记录信息。
我来说说利用量子纠态通讯的幻想:

      首先“量子纠态”起因于爱因斯坦—波尔之间的论战。后来爱因斯坦提出一个EPR问题,通俗说,就是成对出现的两个光量子之间存在着直接的状态联系。那么一个光量子状态发生改变是否会导致另一个光量子的状态“同时”发生改变?根据光速不变原理,这里的“同时”是需要特殊解释的。相对论的思想基础是“局域对称”,其中信息的传递是需要时间的,其最大速度就是光速。(另外补充说明一下为什么没有超光速:光速在我们看来是有限的。但是对于光子本身,因为相对论效应魔咒,他的时钟是定死的,也就是说光速对以光速运动着的物质来说无限大。很难理解不是,我举个例子:一束光从银河系中心到达银河系边缘在我们看来需要5万年,但是对于运动着的光来说,相对论效应导致距离在运动方向上无限压缩,时间无限变缓,因而光束本身不存在跨越多少距离、经历多少时间这样的效应。也可以说光束在无限短的时间里经过了任意的距离。所以在我们看来光束飞了5万年,对于光束自身来说连一瞬间都不是。别说5万年,就算是几百亿年都是一样。然而对宇宙中一切低于光速的物质来说,距离和时间是实实在在存在的。你要跨越一定的距离必然要经历一定的时间,这个速度的极限就是光速。)由于宇宙中物质的运动状态各不相同并且因为光速有限,因而宇宙中并不存在绝对的“同时”。几十亿光年外以20%光速远离我们的星系哪一刻和我们现在“同时”呢?根据相对论,两个星系时间流逝的速度不一样,谈论“同时”是毫无意义的。回到爱因斯坦所谈的问题,局域对称是我们理解宇宙的基础。而量子力学在加进来“几率”这个概念的时候就用粗糙的一般对称取代了局域对称,这对任何有深刻的美学素养的科学家来说都是难以接受的。而“几率”的解释中明显包括了超光速效应!也就是所谓的“超距”作用。相对论的解释,光量子对的状态联系必须是局域的,如果用量子力学来解释,状态联系必须是超距的。问题是当时就算波尔也不会荒谬倒认为光速可以被突破,物质之间会有非局域的“同时”联系。这成了量子力学解释上的致命问题。所以多数科学家认为“量子力学”存在解释上的局限性。但是后来事态的发展却超出了所有人的意料,某个精力充沛喜欢想象还偏爱动手的小人物非要用实验来解决这个问题。结果是:量子力学的非局域效应战胜了相对论:光量子对之间确实存在超越光速的“同时”状态联系。讲个故事:我们翻动一枚硬币,硬币的正反两面方位状态互换,这种状态变换是同时发生的,没人会觉得惊奇。可是如果有人告诉你硬币的正面本来在银河系而背面在仙女星系你会有什么样的反应?

      可想而知科学家们有多尴尬,然而热情迅速取代了惭愧,虽然解释不通,但是好处是显而易见的。如果我们能操纵量子对中的一个量子的状态,那么另一个量子的状态就是可知的,而不用去管量子对之间的距离。比如说我们在地球上确定了一群量子的状态,量子对中的另一群远在进入半人马星系的飞船上,那么飞船上的那群量子的状态也会“同时”确定下来。似乎二者之间有瞬时通讯联系一般。而传统的光波通讯需要四年多才能传递过去。如果我们给量子态进行编码,就意味着可以利用量子纠缠态进行无视任何距离的超光速通讯。以我们的角度看,把信息传递到宇宙的另一边不需要时间。

事实上,这里不需要“传递”这个词,因为并没有信息被传递,通讯仅仅是检验自己手头的量子状态,然后根据编码规则解码而已。信息传递速度只和量子规模以及计算能力有关,不需要任何带宽。由于量子对是一对一的关系,除非你的可控量子落在敌人手里,否则不存在截获和解密这一说。

      还有什么可以想象的?对了,如果能搞出一个人身体上所有物质的量子对应,那么瞬间传送也就不是什么问题了……

      可是,我们如何面对“局域对称”呢?
纯纯的知识啊

bookreader 发表于 2011-10-6 16:35
呵呵,光通信本来就是承载在光子上的,量子通信也是光通信的一种,光子经典信道只是传输全部信息的一部分 ...


这个纠缠太的制备是否就是编码过程?那其实就只是量子加密啊?
单靠量子本身似乎不够,因为基于粒子本身的全同性,应该存在一个弛豫时间极限,如果粒子在传递过程中状态改变了,那信息也就丢失了啊?
bookreader 发表于 2011-10-6 16:35
呵呵,光通信本来就是承载在光子上的,量子通信也是光通信的一种,光子经典信道只是传输全部信息的一部分 ...


这个纠缠太的制备是否就是编码过程?那其实就只是量子加密啊?
单靠量子本身似乎不够,因为基于粒子本身的全同性,应该存在一个弛豫时间极限,如果粒子在传递过程中状态改变了,那信息也就丢失了啊?
lizzy322 发表于 2011-10-6 17:02
这个纠缠太的制备是否就是编码过程?那其实就只是量子加密啊?
编码?这是完全不搭边的两码事吧

纠缠态的制备,就是从物理上在发送接收两端制备出处于纠缠态的粒子对啊,这就是量子态传输的量子信道,是量子通信的基础,纠缠态制备的品质对量子通信有决定性作用

量子加密是一种量子通信应用技术,也不搭边
编码?这是完全不搭边的两码事吧

纠缠态的制备,就是从物理上在发送接收两端制备出处于纠缠态的粒子对 ...
如何确保处于纠缠态的粒子对保持其已有状态呢?
lizzy322 发表于 2011-10-6 17:13
如何确保处于纠缠态的粒子对保持其已有状态呢?
根本就不知道他什么状态,又谈何保持呢?而只要你对量子做点什么,他就发生变化。所以很多东西只是美好的幻想而已……
根本就不知道他什么状态,又谈何保持呢?而只要你对量子做点什么,他就发生变化。所以很多东西只是美好的 ...
当然需要啊,万一不再纠缠了呢?
只要在量子自由度上相同,无法区分两个粒子,这本身不就是个大麻烦吗?
看不懂。。。。
“纠缠态量子”是怎么制作出来的?必须在同一试验环境下“同时”被制造出来吗?打个比方说,假如中国在火星上建立了基地,两者使用量子通讯传递信息,那么用来通讯的“纠缠态量子”必须先在地球上的试验室里“制造”出来,然后把纠缠态量子的一部分送到火星基地,两者才能通讯?

还是“纠缠态量子”可以在不同地方被“分别”制造出来?
比如,两个不同星系的科学家能不能在互相不知道彼此存在的情况下制造出“纠缠态量子”?

看不懂。。。。
lizzy322 发表于 2011-10-6 17:13
如何确保处于纠缠态的粒子对保持其已有状态呢?
纠缠态都是有寿命的,有一个退纠缠的过程,这和具体的制备操作测量模式,环境扰动等等因素有关,一般系统尺度(比如收发端的距离)越大,纠缠粒子数越多,寿命就越小
个人感觉  量子力学有点和古代中国的易经八卦有点相似      
看晕了
求楼主阐述下不确定性原理,一直搞不清楚是因为仪器测量导致不确定性还是本身就是不确定的
shu0202 发表于 2011-10-6 16:44
我来说说利用量子纠态通讯的幻想:

      首先“量子纠态”起因于爱因斯坦—波尔之 ...
这才是真正的科普嘛!!!
按你说的,所谓的距离就是“硬币”的厚度了,这个厚度是可以任意的,这个核心思路应该是很清晰了!那么我们如何将要传输的信息转换到量子态?又是如何将大量的量子群激化到纠缠态?纠缠态的量子对又是如何分开呢?这些技术现在是否已经突破?
我国要发射量子通信卫星,是否说明我们掌握了相关技术?
恳求进一步科普!!!!!
skypee 发表于 2011-10-6 20:05
求楼主阐述下不确定性原理,一直搞不清楚是因为仪器测量导致不确定性还是本身就是不确定的
如果你问的是“测不准“原理的话,那是因为测量工具和被测量对象的相互作用导致被测量对象的状态发生变化
最近超大的科普风我很喜欢
skypee 发表于 2011-10-6 20:05
求楼主阐述下不确定性原理,一直搞不清楚是因为仪器测量导致不确定性还是本身就是不确定的
不好意思,刚刚查了下,发现我的知识已经陈旧了,原来的解释只是基于高中时代接触的有限的现代物理学知识,已被证明不准确。不确定性是量子本身的属性,与测量无关。 至于其原理,以我目前的理解程度还无法用通俗易懂的语言概括,具体可见如下链接
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E4 ... 7%E5%8E%9F%E7%90%86

skypee 发表于 2011-10-6 20:05
求楼主阐述下不确定性原理,一直搞不清楚是因为仪器测量导致不确定性还是本身就是不确定的


本身就是不确定的,量子力学刚诞生的时候哥本哈根学派认为观测引起了塌缩,但这一观点过于唯心,引起很大争议。个人理解是不确定性本身就蕴含在了波动观点之中,如果用粒子的观点可能不容易理解。如果改用波动的观点,则容易理解的多。
skypee 发表于 2011-10-6 20:05
求楼主阐述下不确定性原理,一直搞不清楚是因为仪器测量导致不确定性还是本身就是不确定的


本身就是不确定的,量子力学刚诞生的时候哥本哈根学派认为观测引起了塌缩,但这一观点过于唯心,引起很大争议。个人理解是不确定性本身就蕴含在了波动观点之中,如果用粒子的观点可能不容易理解。如果改用波动的观点,则容易理解的多。
谢谢!不过感觉量子力学是有点唯心呀(薛定谔的猫,延迟实验)。
高深,但确实需要了解一下
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