PDF《量子十问之二 “爱因斯坦幽灵”》

量子十问 ・47卷(2018 年)

11 期 量子十问之二 爱因斯坦幽灵 能用来实现超光速通信吗? 郭光灿? (中国科学技术大学 中国科学院量子信息重点实验室 合肥 230026) 2018-09-12收到 ? email: gcguo@ustc.

edu.cn DOI: 10.7693/wl20181107 大家知道,爱因斯坦对量子力 学的发展做出了极其重要的贡献. 然而,爱因斯坦并不喜欢 量子世 界的概率性 ,他不相信上帝会以掷 骰子的方式创造世界,尤其不能认 同以玻尔为首的哥本哈根学派对量 子力学的诠释.因此,他多次与玻 尔就量子力学基本问题发生激烈争 论,不过每次他都以失败告终.后来,爱因斯坦便改变争论的策略, 即从量子力学原理出发,推演出一 个十分荒谬的结果,以期来证明, 量子力学用于描述世界是 不完备 的 ,这就是爱因斯坦等人

1935 年 提出的著名的 EPR佯谬 . 设想有一个量子系统由两个自 旋为 1/2 的粒子构成,每个粒子的 自旋要么向上(↑),要么向下(↓),但 两个粒子的总自旋为零,这意味着 它们总是处于自旋相反的状态.现 在将粒子 A 和B分别配置于相距遥 远的两个地方,例如,A 在地球 上,B 在月球上.按照量子力学的 预言,每个粒子的自旋方向是不确 定的,在任何方向上测量会有一半 概率向上,一半概率向下.但如果 地球上的粒子 A 被测量并发现其自 旋向下,那么月球上的粒子 B 即便 不测量也能确定其自旋必定向上, 因为 AB 自旋总是相反的.可见, 地球上 A 未测量时,月球上 B 只有 一半概率向上,而地球上A一旦被测 量,并发现自旋向下,月球上的B立 刻以百分之百概率处于自旋向上的状 态.月球上 B 的状态似乎是瞬时被 地球上 A 的测量所控制,这种控制 行为以超光速方式发生.这就是从量 子力学原理推演出来的必然结果. 爱因斯坦由此断定, 超光速 行为是绝对不可能发生,他称之为 幽灵般的超距作用 .量子力学造 就出这个不可能存在的 幽灵 ,由 此可见 量子力学是不完备的 ,不 足以正确地描述真实的世界.为了 正确地描述世界,必须从量子力学 理论体系之外引进新的参数(俗称为 隐参数),来消除 量子世界的概率 性 ,这个 幽灵 也自然就消失 掉!这就是EPR佯谬的故事. EPR 佯谬提出后, 《纽约时报》作为 封面新闻报导 ・ ・

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11 期 那么量子力学如何应对 EPR 佯谬?如何解释这个神奇的幽灵呢? 首先,在EPR 实验中,月球上 B 虽 然测到自旋向上,但仅从这次测量 的结果,无法推断出它是以 50%还是100%的概率获得此结果的.换句 话说,它根本不可能由此知道地球 上A是否被测量这个信息,因此这 里根本不存在 信息传送 .即使 幽灵 超光速,也不违背狭义相对 论 信息传送不能超光速 的原理. 上述 EPR 实验中,似乎地球上 A的测量是 因 ,而月球上B的后 测量是 果 ,而 幽灵 担负着 这个 因果 关联的角色. 但是,如果同时在地球上和月 球上分别测量 A 和B,结果应如何 呢?量子力学预言,每次 A 和B的测量结果自旋总是相反的,而且多 次重复这个实验,单独看每个粒子 测量的结果系列是完全随机的,A 和B两个随机序列则是完全关联, 自旋总是相反的,所以实验结果是 完全关联的随机数序列,这时不再 存在 因 果 之别了, 幽灵 并不从某处传到另一处,而是扮演 将两个随机序列关联起来的角色! 设想我们有

100 份EPR 粒子对 (AB),其中所有 A 粒子都在地球 上,所有 B 粒子都在月球上,重复 前面的实验,结果是地球上所测的

100 个A粒子自旋向上或向下是完 全随机的序列,而且是大约一半向 上,一半向下.同样的,月球上 B 粒子的测量结果也是向上、向下完 全随机的序列,向上或向下的数量 大约各占一半.但是最令人惊奇的 是,地球和月球上分别测到的这两 个随机序列是完全关联的:第i对EPR 粒子中 Ai 与Bi 自旋总是相反 的.每对 EPR 粒子都毫无例外是这 个结果. 我们知道,量子世界遵从量子 态叠加原理.EPR 中的量子系统, 是由两个总自旋为零的粒子构成 的,这个系统同样符合叠加原理. 总自旋为零的状态只有两种可能: ↑ A ↓ B 和↓A↑B,因此,AB系统的 状态应当是 ψ AB = α ↑ A ↓ B + β ↓ A ↑ B ( ) | |α

2 + | | β

2 =

1 ,这个特殊的状态称 为 纠缠态 .处于纠缠态的粒子,即使空间上分离遥远,仍然存 在内在量子关联,对其中一个粒子 的任何操作都会瞬时地改变另一个 粒子的状态.所谓 幽灵 ,就是 这种纠缠!一旦两个粒子存在纠 缠,它们的量子关联与粒子之间的 距离无关,与空间环境无关,任何 电磁屏蔽、引力屏蔽等都无法斩断 这种内禀关联.这种量子关联源于 量子世界的一种基本属性,称为 非局域性 ,这便是 幽灵 的本源! 因此,物理学界对 EPR 佯谬的 解释就出现两种截然不同的观点: 爱因斯坦等人认为, 幽灵 不存 在,世界是局域的,量子力学不完 备,必须以 隐参数理论 代之;

玻尔等人认为,量子世界是非局域 的, 幽灵 理应存在,量子力学是 完备的,无需引入 隐参数 .世界 究竟是 局域 还是 非局域 这是 个哲学问题,难以断定孰是孰非! 多亏欧洲核子研究中心的理论物理 学家贝尔(Bell)的贡献才打破了这个 僵局.贝尔本人实际上是爱因斯坦的 铁杆粉丝,他认为爱因斯坦更聪 明, 隐参数理论 应当是正确的.

1964 年,他推导出一个有关EPR实 验的不等式,即著名的 贝尔不等 式 .如果能验证这个不等式被违 背,则 隐参数理论 就不成立.

1982 年,法国学者阿斯派克特 首次在实验上证实,贝尔不等式被 违背.其后人们采用各种物理系统 和实验手段开展实验研究,最终无 漏洞地证实,贝尔不等式被违背, 量子力学是完备的,非局域性是量 子世界的重要基本性质.因此,关于EPR佯谬这场经历了60多年精彩 绝伦的学术争论到了该谢幕的时刻 了!爱因斯坦如果在天有灵,看到他 质疑量子力学完备性而提出的EPR佯谬,终被证明是 佯 而不 谬 , 反而揭示出量子世界的非局域性这 个最基本性质,不知会有何感想? 为便于理解量子世界的非局域 性,我们举个不太恰当的例子:在 合肥的母亲,当她在深圳的女儿生 下头胎婴儿的那一瞬间,她立刻升 格为外婆,这就类似于 EPR 效应. 这件事并不需要时间就发生了,尽 管母亲并不知道关于她女儿生下婴 儿的任何信息.原因在于母女之间 的身份关联,女儿成为母亲的瞬间 就必然导致自己的母亲成为外婆. 既然 量子世界 确实存在 超光速 的 幽灵 ,那么人们自 然会问,能否将这个 幽灵 引到 我们的经典世界中来,开发出 超 光速通信 ?许多科学家进行了不 懈努力,最终的结论是,这是绝对 不会成功的.量子力学的基本原理 业已证明,不可能利用纠缠态来实 现超光速通信. 幽灵 般的超距作用(图片来源于网络) ・ ・ 739 ........