quantumtheory 的个人博客

王国文：量子纠缠和隔空传物巫术

      让笔者先杜撰一个幽默故事，用来形象化地介绍隔空传物的理论和实践。北京要派孙悟空立刻去深圳任动物园园长，巧遇特大台风和洪水，一切交通中断。幸好两地都有隔空传物专家以及有双胞胎猴子可以帮助解决问题，这对猴子，一只在北京，另一只在深圳，都持有同胞的全息像，好比是互相纠缠的。现在北京的隔空传物专家按程序首先要做的是，把老孙-猴子联合体按特定方式拆分，用数学语言，即把描述老孙的态矢量与这对猴子的纠缠态张量的“张量乘积”投影到描述四只八卦炉的各个态张量上。四只炉子是四对双胞胎猴子的化身，代表老孙与猴子的四种不同基本纠缠方式，专干对老孙进行脱胎换骨的勾当。贝内特等人的隔空传物（teleportation）理论表明，在2号炉上的投影正好是同胞的全息像，而在1号上的变了，右侧各器官都扭转了180度，在4号上左右反了，而在3号上的，不仅左右反了，右侧各器官还都扭转了180度。这时深圳的猴子当园长要等老孙在北京被销毁，因为拷贝是“被禁止”的。按理论，他进哪一只炉子是随机的，几率各占四分之一。这回老孙随机闯进的是2号炉，专家笃信他包含的全部信息刚好原样转移到深圳那只猴子身上。一当用手机告知是2号，深圳猴子就被“核实”是地道的孙悟空了。如果不是2号，也很简单，只要按告知的炉号，用相应的“线性变换”做一下修复就行。听起来像煞有介事，然而悟空窃喜，专家们混淆虚实，颠倒远近，把俺老孙的信息就地替换深圳猴子全息像中的信息，当作信息在量子信道上的隔空传送了，所谓隔空传送量子态和隔空传物是伪的。

      隔空传物理论是基于所谓量子纠缠的非定域性，如果量子纠缠的本性是定域的，那么隔空传送量子态的实验演示是巫术。于是，量子纠缠是非定域的还是定域的成为问题，那种实验演示是重大进展还是巫术相应成为问题。以下将论证量子纠缠的本性是定域的，绝无隔空传送量子态和隔空传物的可能性。

      有一本2001年出版的书，艾克泽尔著，中译本名为《纠缠—物理世界第一谜》，反映现时流行的一种观点，其中写道：“在量子的稀奇古怪世界里，最使人困惑的现象是被称为纠缠的效应。甚至百万千万英里远离的两个粒子神秘地联在一起，其中之一不管发生什么事就会立刻使另一个粒子发生变化。”郭光灿院士考虑到“量子纠缠之谜是一个非常深刻的问题，是当前一个非常重要的研究领域，可以借此[出芦笛丛书]机会给所有对此感兴趣的人讲清楚什么是纠缠。”他和高山的大作《爱因斯坦的幽灵—量子纠缠之谜》中是这样描写量子纠缠的：“如果对其中的一个粒子进行测量，另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响，并发生相应的状态变化，无论它们相距多远。”天哪！恐怕对如此的纠缠关系无人能讲得清楚。

      我们要问，东乡的书记一感冒，西乡的乡长就打喷嚏，西乡的书记一感冒，东乡的乡长也打喷嚏，这种纠缠有谁能讲得清楚。这倒是能讲清楚的，答案极其简单，那就是，东乡的书记张三兼任了西乡的乡长，西乡的书记李四兼任了东乡的乡长。有人好比深信李四一感冒远方的张三就打喷嚏“确有其事”，并想把它向公众“讲清楚”道理，能讲得清楚吗。在量子世界里，两个纠缠粒子占据四个态，要纠缠只有像兼职那样集于一身的“兼态”方式，在逻辑上排除任何其它可能性，这应该是这个谜的唯一答案吧，小学生都知道4=2乘2。这个判断是纯逻辑的，无论在宏观世界还是微观世界，科学屈从逻辑。似乎这个答案太廉价，使人不放心，甚至坚决反对，他们相信已经有理论和实验证明隔空传物（teleportation）的可能性。teleportation被中译为“量子力学隐形传态”，把隔空改为隐形，把传物改为传态，遮盖了它赤裸裸的巫术性。虽然该理论的数学公式只涉及量子态，但是把它直译隔空传物是忠于该理论的作者们的原意的。中国科技大学潘建伟明白他们的原意，说：“也许在某个世纪，真的能够传输人类本身，就像《星际旅行》中的科学幻想。”
      二粒子可能有特殊的关联行为是爱因斯坦等三人（EPR）在1935年发表的一篇论文中提出的。薛定谔读了该文后把这种行为起名为纠缠（Verschrankung，其中的a上要加两个点）。在德语中双手交叉在胸前称纠缠，我们就用类似的情景来了解纠缠的本性。拿宰的猪来比方，把猪的左右腿交叉，当中斩开，左蹄右肘装一包，叫包a，右蹄左肘装一包叫包b。包a北京自家煮着吃，包b快递给上海的老弟。如果混淆猪脚的左右编号和包的a,b编号，就会认为左脚下锅煮，右脚就瞬时“感应”到远方煮的影响也熟了，似乎发生了隔空感应影响。再一个极好的隐喻是，元朝管道升给夫君赵孟頫写的“我侬词”：“你侬我侬，忒煞多情。情多处，热似火。把一块泥，捻一个你，塑一个我。将咱们两个一齐打破。用水调和。再捏一个你，再塑一个我。我泥中有你，你泥中有我。与你生同一个衾，死同一个椁。”

      假如我们有许许多多这样的包a和包b，设一批包a有先后煮熟的和生的“左蹄”随机序列z1(熟),z2(生),z3(生),z4(熟),...。因是下锅一起煮的，当然同样有“右肘”序列y1(熟),y2(生),y3(生),y4(熟),...。如果混淆猪脚的左右编号和包的a,b编号，就以为“左脚”有随机序列z1(熟),z2(生),z3(生),z4(熟),...时，远方的“右脚”感应出了序列y1(熟),y2(生),y3(生),y4(熟),...。这不是可用来建立远距通信的牢不可破的密码协议吗，它来自纠缠，纠缠是自然规律，因此以为这种加密万无一失为自然规律所保证。这里讲这个隐喻，是为了告诉大家，目前用此法的所谓牢不可破的量子加密工程是荒唐的，是基于对量子纠缠本性的误解。

      顺便指出，一般，两个光子分别从半透半反镜各侧入射时，出射总有四个波（态），这四个波是独立传播的，其中不存在集于一体的“兼态”，所以凡是证明半透半反镜加符合计数探测能纠缠光子的理论和实验都是谬论和编造。利用这种方案制备的假光子纠缠肯定办不成任何真事，包括造量子计算机。这种方案也不能用来做贝尔基测量，凡以这种贝尔基测量作为关键实验路线得到的所谓成果均为虚假，尽管十余年来那些论文受国际顶级刊物青睐。

      现在我们用量子的初包模型（见《物理》1991年第8期p.498）来解释量子纠缠：例如，一个紫外光子打在一个非线性晶体（例偏硼酸钡晶体）上，如果条件合适就变成两个红外光子，编号1和2，设想此时已发生了纠缠，即光子1的含峰片与光子2的不含峰片融合成一个光子，新编号a，光子2的含峰片与光子1的不含峰片融合成另一个光子，新编号b。这情景正好解释了一对纠缠粒子的态叠加的数学表示式，式中标的是光子的原编号1和2。这种纠缠的特点是不能再解开，像子女身上的父母基因不能再分开一样，
      只能逐代淡化。郭光灿和高山声称：“在微观世界中，粒子由于相互作用不断发生量子纠缠，而当这种作用延伸至宏观物体（如测量仪器）时，由于波函数坍缩过程的发生，即使最紧密的量子纠缠也将被解开。”这个说法无根据，因为不是任何二个物体间都会发生量子性纠缠，而且量子纠缠后不可能再解开，再说波函数坍缩也不是一种物理过程。实际上量子力学不描述从1,2到a,b的这种编号变化，这种变化应看作这纠缠制备过程的新结果。可做同样解释的再一例是氦原子中1s电子与2s电子的纠缠，这纠缠效应是一直不明物理真莫道不消魂相的交换能的来源，交换能的出现是因库伦作用的计算中保持了纠缠前的电子编号，这是量子力学形式体系的自洽性所决定的。在EPR论证中举例的一对纠缠粒子，情况类似，假如考虑到编号的变化，EPR佯谬不复存在。这个情景如果反映量子纠缠的真莫道不消魂相，那么，所谓纠缠粒子的隔空作用（非定域性）纯属子虚乌有，系混淆空实、颠倒远近的产物。因此对分离粒子a和b的p和x测量时，它们的均方根差应有下列关系式：

△x(a)△p(a)大于等于hbar/2，△x(b)△p(b)大于等于hbar/2，
△x(a)△x(b)=△p(a)△p(b)=△x(a)△p(b)=△x(b)△p(a)=0
      我们应当还有能量-时间和角动量-角变量不确定关系式。的确这些关系式隐含着原编号粒子1与2的成分的交叉不确定关系和定域关联，它们表示在粒子1（或2）的含峰片上的测量伴随着对粒子2(或1)的不含峰片的测量，这里的含峰片与不含峰片是融合在一起的，因而二者的关联是绝对定域的，可见所谓量子纠缠具有非定域性的论断出自对量子力学的原则性误解。

      玻尔在反驳EPR论证的文章中称他们（EPR）的实在性概念是含糊的，含糊在无任何扰动上，称虽无力学扰动，但不免有与测量条件相关的影响。他在这反驳文章的脚注中，对“相互作用或不作用”的一对粒子，写出对易关系：

[q(1),p(1)]=[q(2),p(2)]=ih/(2·pi),
[q(1),q(2)]=[p(1),p(2)]=[q(1),p(2)]=[q(2),p(1)]=0

这里的1,2在原文中是下标。我们知道这些式子对应下列关系式：

△q(1)△p(1)大于等于hbar/2, △q(2)△p(2)大于等于hbar/2,
△q(1)△q(2)=△p(1)△p(2)=△q(1)△p(2)=△q(2)△p(1)=0

      这些式子表示，对粒子1(或2)的q或p的测量不会使粒子2(或1)的状态发生变化，可见玻尔实质上并未否定爱因斯坦（或说EPR三人）提出的分离性原则，他只是由互补原理来捍卫量子力学的描述是完备的观点。那么纠缠行为又在哪里呢，好像玻尔泼洗澡水连孩子一起倒掉了。虽然EPR论证和玻尔的反驳都未切中对方的要害，但是EPR发现量子力学用于二粒子体系时在数学形式中可能出现一种特殊的关联，是一项非常重要的发现。不过他们以为这种关联与实在的概念矛盾，由此误认为这种矛盾起自量子力学描述的不完备，尽管它是不完备的。另一方面，玻尔发现EPR的实在概念是含糊的，含糊在无任何扰动上，他的这个意见包含着一份深奥真理，虽未知扰动之真莫道不消魂相。

      薛定谔在1935年发表的论文“量子力学的目前状况”中写道：“任何发生的“预半夜凉初透言的纠缠”显然只能归于这个事实，即这两个物体在较早的某个时候形成真实意义上的一个体系，而且二者已经留下各方的印记。”并说：“在分离体系上的测量不会直接彼此发生影响--那种影响是巫术。”他称纠缠是量子力学的特有品性，在几乎同时发表的另一篇文章“分离体系间几率关系的讨论”中开头写道：“如果我们由其各自的表示知道它们状态的两个体系，其间由于已知的力受到暂时的物理作用，而且如果这些体系相互影响一段时间以后再分开，那么它们不再能如前的同样方式描写，即不再能赋予它们各自的表示。我们不说有什么东西强迫量子力学完全背离经典思想路线，宁可说那是量子力学的特有品性。这两种表示[量子态]由于这相互作用已经变得纠缠起来。”虽然他把两个体系在纠缠时留下各方的印记的想法和含峰片与不含峰片的融合图象一致，但他也不知这种融合的纠缠真莫道不消魂相。

      上面指出的量子纠缠真莫道不消魂相和给出的纠缠粒子的不确定关系式可能遭到反对，这里我们不得不多一点罗嗦进行解释和辩护。在量子力学的数学形式体系中，对一对纠缠粒子，只见编号1和2，从1,2到a,b要当作一次制备来看待，这是认识量子纠缠真莫道不消魂相的关键。爱因斯坦在文章“自述”中表示“坚定不移地认为”：“体系S_2的实在状况与我们对那个在空间上同它分离的体系S_1所采取的行动无关。”这被称为分离性原则。除非被某些荒谬理论彻底洗了脑或十足被一些巫术性实验演示所迷惑，我们的智商还不至于低到连如此简单的真理--分离性原则--都不信，爱因斯坦说，分离就是无相互作用的同义语。不过，他同玻尔一样，未意识到发生纠缠时体系结构的变化和粒子编号的相应变化，在否定非定域影响的同时，还否定了纠缠中实际存在的那种不易发现的定域性关联，即含峰片与不含峰片的融合。现在的结论是，量子纠缠中非经典关联存在，但它是绝对定域的，不存在与相对论矛盾的问题。爱因斯坦认为量子力学对微观实体的描述不完备，现在看来，这种不完备性还包含这理论不描述粒子编号的变化，这一点才是认识EPR佯谬的关键。另一方面，玻尔认为纠缠前后粒子状态的定义发生了变化，他在1939年发表的“原子物理中的因果性问题”文章中提到，爱因斯坦的“态”概念与量子力学中的态概念不同是EPR佯谬的来源，他写道：“事实上这个佯谬能在量子力学形式体系中找到圆满的解答，按照此体系，关于同这个物体曾接触过的分离的那个物体，没有“态”概念的任何明确使用被允许，直到涉及这个概念的定义的外部条件明确地被对这个从属物体的进一步适当控制所确定。”现在看来，玻尔的粒子状态的定义发生变化的思想与这种粒子编号的变化情况倒是一致的。前面说的，左蹄熟了，右肘也同时熟了，隐喻了量子纠缠的整体性和定域性，而包a的东西熟了，包b的东西不受隔空感应影响，隐喻了量子纠缠的分离性，玻尔的整体性思想与爱因斯坦的分离性思想在字面上好像是冲突的，实际上是相容的，因此，纠缠前后粒子编号变化的认知调和了他们的整体性与分离性思想的对立。记得玻姆不认为能利用量子的非定域性做信号超光速传递，不同于他的思想，贝尔的非定域性（即隔空鬼魅作用）思想和后来的发展，着实把量子信息科学引向歧途，吹得天花乱坠，成为蜂拥而上的淘金场所。好在玻尔从来不支持隔空鬼魅作用，在这大是大非关口爱因斯坦和玻尔的思想是一致的，要不然，被奉为宝贵物理资源的隔空鬼魅作用说不定会带来更大的祸害。
      尽管爱因斯坦和玻尔都否认量子力学的非定域性，也有许多支持者，但是目前情况有点不妙，代表一种思潮，日内瓦大学一位著名教授尼古拉·吉辛（N. Gisin）在向鬼魅作用呼万万岁：“我们有幸生活在物理学发现和探究大自然非定域特性的时代。与牛顿引力的非定域性相反，量子非定域性与我们永存。未来的科学史家们将把我们的时代描写为非定域性伟大发现的新纪元。” 非定域性是指相距无论多远的物体间的瞬时影响，这种影响无需通过媒质传递，无任何东西能阻挡。爱因斯坦嘲笑它为隔空鬼魅作用，传心术式的影响，薛定谔称它为巫术。隔空传物理论的第一作者贝内特自己也称它像伏都（voodoo，通灵术）。居然，世上有一大批专家十余年来不顾旁人诸多质疑或反对，对隔空鬼魅作用顶礼膜拜，走火入魔地争先恐后编造阳性实验成果，置起码严谨性于脑后，自欺欺人，把量子信息科学引向歧途，并危及科学和文化思想。好在人们已经逐渐发现，他们称成就非凡是假，一事无成是真。这类虚假成果在2009年已明显减少，史无前例的狂吹与瞎棒也有所降调，情况有好转迹象。借隔空鬼魅作用搞创新不会有任何效果是肯定的，及早迷途知返为好。不过拨乱反正有待时日，可能因成见太多、太深，积重难返。恐怕还会有非学术因素的影响，在斯坦福哲学百科全书中，有一个条目“玻姆力学”，其中写道“凡参与同行争论量子力学基础者，不管其见解如何，很可能同意托尔斯泰的这个说法：有些人把个人的结论，津津乐道向同僚讲解，趾高气扬对他人教导，根根花线编织人生锦缎，哪怕有最简单最明显的真理要迫使他们承认那些结论为伪，我知道多数人，包括能够轻易对付最最复杂问题的，皆难得接受那个真理。”

      至今，许多物理学家和哲学家相信，“名为贝尔不等式的数学关系式的实验违反敲响了量子力学中爱因斯坦的定域实在论思想的丧钟”和“1997年奥地利因斯布鲁克大学泽林格领佳节又重阳导的研究组首次实现了光子的隐形传态”，他们毫不怀疑隔空鬼魅作用的存在，甚至有许多专家竭力做实验给人们看，世界是多么鬼怪。现在可以说，量子是实在的，量子的纠缠是定域的，贝尔型不等式实验的违反正说明这类不等式本身属于杜撰，用来否定爱因斯坦的定域实在论思想是节外生枝，而且用它们对量子态是否纠缠的检验也毫无意义。贝内特等人依据对量子纠缠本质的错误理解提出的隔空传物理论，是混淆空实、颠倒远近的产物。他们的推导简单、清晰、数学上严格，问题出在物理含义的认识上。鉴于叠加态的成分中至多一个成分是非空的，仔细分析他们推演的公式中各项的空实性和远近性就不难做出上述结论。因此“量子隐形传态可用于大容量、原则上不可破译（万无一失）的保密通信，也是量子计算的基础”这种说法不可信。这里作者要说，隔空传物（态）理论是二十世纪最荒唐的理论，包括其最荒诞的演示，终将以反面教材载入科学史册。与此相关，这里要附带指出，郭光灿院士担纲撰写的科普大作《爱因斯坦的幽灵—量子纠缠之谜》恐怕会严重误导公众，有悖于芦笛曲丛书的出版宗旨。这套丛书肩负国家科技计划科普化的示范，不同于无足轻重的消遣读物，也不同于提供讨论的个人学术著作。




王国文：探究量子真莫道不消魂相--拒绝量子巫术

      量子史是一部发展进程特别曲折的历史，一部在漫长岁月中充满争论、不断革新的历史，从对立的微粒说和波动说，到谜般的波粒二象性学说，进而去探求二象性的综合。量子力学的确美妙无比，功丰绩伟，惟难于懂得，爱因斯坦曾称自以为懂者是无赖，在欺骗自己，费曼称无人懂得量子力学。光的双缝干涉现象就是首先碰到的一个谜，一个微粒看来好象是同时通过双缝的，否则不会有干涉条纹，但是，如果紧贴狭缝观察，总是看到好像是整个微粒通过狭缝，从来看不到半个、大半个或小半个，说明量子干涉现象中深深藏着奥秘。还有，量子力学的数学形式表示，纠缠粒子体系中一定有某种不可分离性、某种关联，然而，如果要说它们在分离后还存在隔空鬼魅作用就难以置信，说明量子纠缠中也深深藏着奥秘。还有一个大问题是，量子力学与牛顿力学是如何衔接和过渡的，这又是一大奥秘。如何揭开这三大奥秘的问题摆在我们面前。诺贝尔奖得主拉比在玻尔诞辰百周年纪念大会上讲：“我觉得，我们还未得要领，下一代人，他们一旦找到那个要领，就会拍拍脑袋说，他们过去怎么会想不到呢？”

      量子的奥秘源出不明量子真莫道不消魂相，澄清或解决许多观念问题都有待探明量子的真莫道不消魂相。量子力学的推论引出的佯谬、悖谬和矛盾累累，问题到底出在哪里。这个理论本身是完全自洽的，问题可能出在我们对它的理解上。爱因斯坦自己明白波粒二象性观点只是权宜之计，综合波粒二象性和统一对场和实物的认识是他的夙愿。量子力学的诠释纷纭，各人也有各人的理解，他们那里或有可取之点，或牵强附会，或甚至近乎荒唐，虽不无启发或探讨意义。作者相信，量子干涉和量子纠缠终将在波粒二象性综合基础上得到合乎逻辑的解释，而且一旦了解量子的真莫道不消魂相，微粒的量子性到宏观物体的经典性过渡问题也就能随之解决。

      目前的情况令人担忧。日内瓦大学一位著名教授尼古拉·吉辛声称：“我们有幸生活在物理学发现和探究大自然非定域特性的时代。与牛顿引力的非定域性相反，量子非定域性与我们永存。未来的科学史家们将把我们的时代描述为非定域性伟大发现的新纪。”非定域性是指相距无论多远的物体间的瞬时影响，这种影响无需通过媒质传递，无任何东西能阻挡，爱因斯坦嘲笑它为隔空鬼魅作用，传心术式的影响，薛定谔称之为巫术。宣告这种作用或影响的存在已经被实验证实，能信吗？居然，世上一批专家十余年来不顾旁人诸多质疑，走火入魔地一味编造实验成果，危害科学，特别是把量子信息科学引向歧途，并危及我们的文化思想。更可怕的是，传授这类错误的教科书误人子弟，以及这类科普著作严重误导公众。

      物理学现在似乎有点乌烟瘴气，面临危机。危机起自约翰·贝尔1964年提出的不等式和他的定理，美国加州大学劳伦斯伯克利实验室的亨利·斯塔普称“贝尔的定理是最深刻的科学发现”，爱伦·阿斯佩克特叫喊“贝尔不等式的实验违反敲响了量子力学中爱因斯坦的定域实在论思想的丧钟。”我们正面临挑战和考验。尽管爱因斯坦对量子力学有某些误解，本人还是坚信，爱因斯坦的定域实在论思想最终必胜。


附：量子巫术新闻一则：
   
      新华网合肥6月4日电 (记者 熊润频)存放着机密文件的保险箱被放入一个特殊装置之后，可以突然消失，并且同一瞬间出现在相距遥远的另一个特定装置中，被人方便地取出。记者从中国科学技术大学获悉，日前，由中国科大和清华大学组成的联合小组在量子态隐形传输技术上取得的新突破，可能使这种以往只能出现在科幻电影中的“超时空穿越”神奇场景变为现实。
    
      据联合小组研究成员彭承志教授介绍，作为未来量子通信网络的核心要素，量子态隐形传输是一种全新的通信方式，它传输的不再是经典信息，而是量子态携带的量子信息。
    
      “在经典状态下，一个个独立的光子各自携带信息，通过发送和接收装置进行信息传递。但是在量子状态下，两个纠缠的光子互为一组，互相关联，并且可以在一个地方神秘消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方瞬间神秘出现。量子态隐形传输利用的就是量子的这种特性，我们首先把一对携带着信息的纠缠的光子进行拆分，将其中一个光子发送到特定位置，这时，两地之间只需要知道其中一个光子的即时状态，就能准确推测另外一个光子的状态，从而实现类似‘超时空穿越’的通信方式。”彭承志说。
    
      据介绍，量子态隐形传输一直是学术界和公众的关注焦点。1997年，奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证。2004年，该小组利用多瑙河底的光纤信道，成功地将量子“超时空穿越”距离提高到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰，量子态隐形传输的距离难以大幅度提高。
    
      2004年，中国科大潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。在自由空间，环境对光量子态的干扰效应极小，而光子一旦穿透大气层进入外层空间，其损耗更是接近于零，这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。
    
      据悉，该小组早在2005年就在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠“拆分”、发送的世界纪录，同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。2007年开始，中国科大——清华大学薄雾浓云愁永昼联合研究小组在北京架设了长达16公里的自由空间量子信道，并取得了一系列关键技术突破，最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输，证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性，为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。
    
      据悉，该成果已经发表在6月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然光子学》上，并引起了国际学术界的广泛关注。

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