Jul 26 2010
王国文：量子魔术：实验演示多光子纠缠
| 王国文：量子魔术：实验演示多光子纠缠 |
[摘要]对于量子纠缠，与其相信鬼魅隔空作用，不如相信阴魂缠身，这个“阴魂”就是初包的不含峰片，一种准实体。一切量子现象背后捣鬼的正是这种准实体，无准实体无量子力学。非定域关联，即鬼魅隔空作用，在自然界子虚乌有，只虚构在某些量子力学专家的头脑里，怪不得此种影响可以瞬间远达天边，无需媒介，也没有任何东西能阻挡。把非定域关联归于量子力学的推论是完全错误的，出自对这理论的原则性、根本性误解。以往实验演示的量子隔空传输是巫术，实验演示的多光子纠缠是魔术，永远解不开的密码是空话。 所谓多光子纠缠，是指三个或更多个光子的纠缠。现在常用自发参量下转换产生纠缠光子对，那是利用了晶体的二阶光学非线性效应。因三阶非线性效应非常小，靠它产生能用于实验的纠缠的三光子，尚希望渺茫。十余年来，实验演示的多光子纠缠，都是用线性光学的办法产生。奥地利泽林格组在1998年的一篇文章（第一作者潘建伟）中写道：“我们在实验上能够纠缠自由传播的粒子，它们在物理上彼此从无相互作用或从无有过动力学上其它任何方式的耦合。这证明了量子纠缠既不要求被纠缠粒子有共同的来源，也不要求曾有过相互作用。在我们的实验中，我们取两对偏振纠缠光子，并使各对中的一个光子受到贝尔态测量，这使得另两个出射光子投影[坍缩]进入一个纠缠态。”问题是，用这种办法产生的是真的纠缠态吗？ 线性光学分束器--半透半反镜，本身并无纠缠光子的作用，但是泽林格等认为符合计数测量引起的波函数坍缩--“后选择”，能使前置的分束器成为量子纠缠器。据报道称，三、四、五、六光子纠缠早已“实现”，而今，潘建伟组在2010年5月出版的《自然·物理》上发表了文章“超纠缠10量子比特薛定谔猫态的实验演示”，称再次刷新了纠缠态制备的世界记录，居世界领先地位。该工作获得科技部重大科学研究计划、中科院知识创新工程重大项目、国家自然科学基金项目等的资助。看来投入的资金十分可观，也说明有大批专家支持。 上述方法起初用来产生二光子纠缠态，用于量子隔空传输中的贝尔态测量，早见于泽林格组文章（1997年，NATURE）：实验的量子隔空传输（Experimental quantum teleportation）（第二作者潘建伟），该文入选《自然》特刊物理学百年经典之作，被称为有里程碑意义的成就。此后包含运用此种贝尔态测量法宝的“成果”一个接一个出现。最近有潘建伟组文章（2010年，NATURE）：实验的自由空间量子隔空传输（Experimental free-space quantum teleportation），称是“迈向全球化量子通信应用的重要一步”。后面将看到，包含此种贝尔态测量的实验路线都是错误的，由此只能编造出虚假的成果。 用线性光学办法制备“多光子纠缠态”，方法简单而廉价，据称已有多种应用和广阔的应用前景，下面列出一些有代表性的论文: (1)制备三光子纠缠态，泽林格组文章（1999年，PRL）：三光子GHZ纠缠的观察（Observation of three-photon Greenberger–Horne–Zeilinger entanglement）(第二作者潘建伟)； (2)制备四光子纠缠态，泽林格组文章（2001年，PRL）：四光子纠缠和高保真度隔空传输的实验演示（ Experimental demonstration of four-photon entanglement and high-fidelity teleportation）（第一作者潘建伟）； (3)制备五光子纠缠态，潘建伟组文章（2004年，NATURE）：五光子纠缠和终端开放隔空传输的实验演示（Experimental demonstration of five-photon entanglement and open-destination teleportation）； (4)制备六光子纠缠态，潘建伟组文章（2007年，NATURE）：图态中六光子的实验纠缠（Experimental entanglement of six photons in graph states）； (5)制备10量子比特纠缠态，潘建伟组文章（2010年，NATURE）：超纠缠10量子比特薛定谔猫态的实验演示（Experimental demonstration of a hyper-entangled ten-qubit Schrodinger cat state）。 问题是，这里的多光子纠缠是不是真的纠缠，如果名不副实，那么大谈应用就如画饼充饥，在国际顶级期刊上发表，笑话可闹大了。 例如，我们来看所谓的四光子纠缠是如何“实现”的。设光子A和B是纠缠的和光子C和D也是纠缠的，假如能使B和C纠缠起来，那末四者就纠缠起来了。关键是如何把B和C纠缠起来。泽林格等的办法是，让B和C从半透半反镜的左右各侧以45度倾角入射，设B是水平极化（H）的，C是垂直极化（V）的，镜后两侧各置单光子探测器，把探测信号接到一个符合计数器上。如果获得一个符合信号，说明出射光子同时各在一侧出现，按“理论”，这时这对粒子的极化态（偏振态）的投影态（坍缩态）为： |Psi^{-}>=0.707(|V(左)>|H(右)>-|H(左)>|V(右)>  这里^{-}表上角码“-”，0.707代表根号2的倒数。在形式上，这是一个纠缠态，是四种贝尔态之一。这样，就以为通过B和C的纠缠使那四个光子纠缠了起来。还可以如法炮制，以获得更多的光子的纠缠态。上面提到的“理论”说：“尽管两个光子之间（以及分束器中）并不存在可以令光子极化状态发生改变的相互作用，但“全同性原理的交换作用＋符合测量坍缩”还是使两光子的极化状态发生了改变--纠缠起来。”问题是，波函数坍缩是不是物理过程。 早在1927年索尔维会议上爱因斯坦反对波函数坍缩思想，不能想象一个无限扩展的平面波会在探测屏上瞬间坍缩成一个无限窄的脉冲。波函数坍缩假设是海森伯1929年正式提出来的，虽从未获玻尔认可，还常被认为是哥本哈根学派思想的主要组成部分。1932年冯·诺伊曼假设，在实验或测量时态矢会发生不连续的、非因果的、瞬时的、不可逆的变化（坍缩），他把它看作是物理事件，称之为测量的投影假设。1960年海森伯明确表示：“导致态坍缩的记录作用不是物理过程，宁可说是数学过程。随着我们的知识的突然改变，我们知识的数学表示当然也经历突然的改变。”2000年在法兰克福的一个讲座期间，纳克曼孙问泽林格：“包含发生坍缩的波函数的位形空间在哪里”，回答是：“在我脑袋里。”非物理过程怎么能利用来纠缠光子呢。事实上也无波函数坍缩过程的任何实验证据，有些学者因此称这坍缩假设臭名昭著、声名狼藉(infamous/notorious)，他们关注或欢迎不含波函数坍缩的量子力学诠释，像玻姆诠释，多世界诠释，一致性历史诠释或系综诠释。 关于探究量子干涉和量子纠缠的真莫道不消魂相说来话长，涉及量子行为的起源和量子力学的诠释问题。探讨这些问题，我们免不了要去猜想量子力学数学形式体系背后潜在的量子实体和潜在的变量。曾经有各种各样关于量子力学潜变量不可能存在的证明，指出不发散态不可能存在。无疑量子力学波函数不可能线性叠加出绝对不会发散的态，但是事实上一个电子或一个原子是稳定的，所以潜变量不可能存在的结论很可能其根据偏面或证明绕同义反复的圈子。量子力学是线性理论，可是要做出一个满足线性方程的像粒子的不发散波包似乎束手无策，无路可循，几乎令人绝望，因而有人把眼光转向非线性理论，特别是德布罗意本人和他的巴黎学派。爱因斯坦也有这个倾向，在他看来，真正的规律不会是线性的，也不能从这样的线性规律获得。很自然，我们最容易想到的潜变量是粒子的位置、动量和角动量，而且认为理论中出现的物理量是这类潜变量统计平均的结果。事实上，这类潜变量理论包括玻姆的理论都未能解决量子力学诠释问题和量子测量问题，这或许暗示把这些量当作潜变量不是解决问题的出路。可能这正是爱因斯坦从来不谈论潜变量的原因。他在1948年的文章“量子力学和实在”中表示倾向于相信这个观点：“这个（自由）粒子实际上具有确定的位置和确定的动量，即使它们二者不能在同一单体情形中由测量来确定。按照这一观点，psi函数体现实在事态的不完备描述。”并认为：“有朝一日终究要被一种更加完备更加直接的描述所代替。”但是他从未提议过补充粒子的位置、动量和自旋等作为潜变量去完备描述量子实体，那是约翰·贝尔的想当然强加于爱因斯坦的。 关于潜变量的类型，我们可能忽视了一个大的方面，波作为变量也可以是潜的，这是贝尔没有考虑到的。我们不妨假设，满足爱因斯坦-德布罗意关系式（能量-频率关系，动量-波长关系）的波在量子理论中是“显的”，不满足的是“潜的”，这个假设使做出满足线性方程的不发散波包成为可能。事实上，数学上极其简单，物理上直观明了，在相对论框架内，由无限多个原始简谐波可以等权叠加出极窄的、满足线性方程的、不发散的波包--初级波包(简称初包)，这种初包可以描述自由的微观粒子，其中与粒子的动量和能量关联的特征分量就是我们熟知的波函数--德布罗意波函数。因为动量和能量值依赖于惯性参考系，所以在无数分量中哪个是特征分量依赖于参考系的选择。在量子理论中唯独这种特征分量是“显的”，但是这理论中“显的”波又是不可观测的，在观测中可能显露的无非是初包--量子实体。考虑到电子和光子有自旋，已知狄拉克电子有四个关联的特征分量(波函数)，光子有六个关联的特征分量(电磁波)。光脉冲或德布罗意波包是那些特征分量叠加成的次级波包，原则上要发散是其特征。显然，这里的潜波是量子实体的组分，而不是参与平均的随机潜变量。玻姆认为：“也许我们现在的量子力学平均是还未直接探测到的潜变量的表现形式”，贝尔认为：“psi描述的量子力学态由对lambda[代表潜变量的参数]的均匀平均得到”，看来他们两人都在一味依赖潜变量统计平均诠释量子力学这点上犯了原则性、方向性错误，以致出现贝尔不等式谬论。贝尔不等式毫无科学意义，洛察克（G. Lochak）指出：“贝尔不等式的实验违反无关于所谓的“非定域性”或“非分离性”，这违反只不过表明量子几率不是经典几率！”阿德尼尔（G. Adenier）指出：“虽然证明贝尔不等式违反的实验愈来愈准确和无漏洞，必须强调，不管如何地准确和接近理想，实验能证明的不外乎量子力学的有效性，而不是那贝尔定理的有效性。” 初包和无限窄的次级波包在形式上相似，极易混淆。例如，当极弱光照射感光板或光敏列阵时，上面出现的微小斑点常被认为是光子的波函数坍缩到一个特殊投影分量（无限窄次级波包）的“尸体”放大像，然而，如果认为它是作为光子的初包的“尸体”放大像，则初包的峰外片连同它的特征分量无突然收缩发生，这意味着无波函数坍缩发生。可见，波函数坍缩假设起因于对这两种不同类型波包的混淆。因此，测量时不存在波函数坍缩，测量到的就是先前存在的，虽然测量可能引起测量对象的状态改变。我们可以由初包的含峰片（量子实体）与不含峰片（准实体）之间的耦合来解释量子干涉（如双缝干涉）和由一个微粒的含峰片与另一个微粒的不含峰片的融合来解释量子纠缠。 量子纠缠态定义为：两个或更多子体系的一个量子纯态称为是纠缠的，如果它不是各成分的态之积。这是数学观点和形式定义，从物理上看，量子纠缠的真莫道不消魂相到底如何，是个大问题。先得弄清什么样的关系叫纠缠，即使量子纠缠无日常现象可以类比，那么看是能否找到一些隐喻，以获得一点揭露量子纠缠真莫道不消魂相的启示。所谓纠缠，原来薛定谔用德文称Verschrankung（a上要加两个点），用英文称entanglement。最简单的例子是，双手交叉在胸前叫纠缠，是那德文字的原义。稍微复杂一点，如管道升的词中说的：“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。”稍贴切一点，有虚实纠缠的情形，如设想：东乡的书记兼任了西乡近乎虚设的乡长，西乡的书记兼任了东乡近乎虚设的乡长，书记一感冒，乡长就咳嗽，这是因为纠缠。微观物体与宏观物体有不同性质，微观物体的纠缠现象不好理解，例如氦原子中的电子“交换能”，它起因于电子的纠缠，不晓得纠缠的真莫道不消魂相，也就理解不了这种能量的来源。何谓量子纠缠，如郭光灿院士担纲撰写的书“爱因斯坦的幽灵—量子纠缠之谜”中所写：“量子力学预半夜凉初透言在相互纠缠的微观粒子（如电子、光子等）之间存在某种非定域关联；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。”这个论断连可做隐喻的日常现象都没有，除了巫术或魔术，因此它让人感到不可理喻。我们也不明白波函数做统计解释的量子力学是如何做出这个预半夜凉初透言的，如果不玩弄形式的数学游戏的话。 在BBO（beta-偏硼酸钡）晶体上通过自发参量下转换产生纠缠光子对是常用的方法，它把一个紫外光子变成一对红外纠缠光子，常被编号为光子1和光子2，这种编号出现在量子纠缠的数学公式中，所以我们称它们为“形式编号”。例如，制备一个纠缠态：F(x1,x2)=H(x1)V(x2)+H(x2)V(x1)，H和V表示水平极化和垂直极化，这里省略了归一化系数，这对纠缠光子有四个波函数（初包的特征分量），由简单逻辑分析断定，其中必有两个是准空的，这些准空的波函数是不含峰片（准实体）的特征分量。如果改用小写字母表示准空的波函数，函数F(x1,x2)分出两种情形：F1(x1,x2)=H(x1)V(x2)+h(x2)v(x1)和F2(x1,x2)=h(x1)v(x2)+H(x2)V(x1)，从波函数对粒子编号的交换对称性可见，纠缠意味着非空的H(x1)与准空的h(x2)(或H(x2)与h(x1))不可分离地相伴，它们融合成新的体系，我们给予新的编号S1，同样，V(x2)与v(x1)(或V(x1)与v(x2))不可分离地相伴，融合成新的体系，给予编号S2。不同于“形式编号”，新的编号是“定域编号”，因为新编号的两个体系在遥远相隔（类空相隔）时，不再有任何相互影响。爱因斯坦在1946年文章“自述”中表示“坚持认为”：“体系S2的实在状况与我们对那个在空间上同它分开的体系S1所采取的行动无关。”在纠缠光子对中，光子1的非空态与融合的光子2的准空态一起受外界作用，所以很容易误解为改变光子S1的状态甚至会影响遥远的光子S2的状态，原来，光子2的非空态“远在天边”，而它的准空态就“近在眼前”。多粒子纠缠的含义依此类推。简而言之，量子纠缠的实质好比“阴魂缠身”，而非“鬼魅隔空作用”，这个“阴魂”就是初包的不含峰片，一种准实体。量子现象背后捣鬼的正是这种准实体，无准实体无量子力学。准实体这种角色的表演非常出色和轰烈，本身的面貌却十分隐蔽，我们能用思辨和数学去掌握它。现在可以完全放心地说，鬼魅隔空作用，即非定域影响，在自然界子虚乌有，只虚构在某些量子物理学家的头脑里，怪不得此种影响可以瞬间远达天边，无需媒介，也没有东西能阻挡。上面证明，潜变量理论能够再现量子力学的预半夜凉初透言，而且表明量子力学是固有定域的。现在可以考虑这种不可分离的融合特性是检验量子纠缠性质真假的判据。由此判断，用半透半反镜加符合计数测量绝无纠缠光子的功能，用于贝尔态测量也毫无意义，凡包含此种贝尔态测量的实验路线都是错误的，由此只能编造出虚假的成果。 上面提到的含峰片和不含峰片的特征分量--波函数，在本质上类似法拉第发现的场，所以这里对波函数提供了诠释，也就是对场的本质提供了诠释。不含峰片是现在引进的新概念，是一种陌生的实体--准实体，而法拉第引进的场，当初是非常陌生的概念，现在看来它倒不是一种实体，本质上是组成实体的特征成分，更为抽象。这样看来，对不含峰片的概念的陌生程度并不超过对场的概念，所以不必感到惊讶。 现在令人担忧，一代量子信息专家在谎言中成长，头等谎言是：“量子力学预半夜凉初透言在相互纠缠的微观粒子（如电子、光子等）之间存在某种非定域关联；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。”量子（态）隔空传输的理论来源于此等思想，并有进一步的推论：“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”。有人说爱因斯坦发现了纠缠量子的非定域关联（隔空作用）和认识到它的重要性，这是无稽之谈，事实是，爱因斯坦等（EPR）认为，假如量子力学是对实在的完备描述，那么它意味着量子纠缠中存在隔空作用。爱因斯坦坚持分离性原则，认为不可能有隔空作用，因而认为量子力学是对实在的不完备描述，只是对系综的统计描述，只存在纠缠的统计性关联，因此他不会认为隔空作用是[统计性]量子力学的推论。量子纠缠中存在非定域关联是量子力学的推论或预半夜凉初透言，这句话或变相说法，常打着爱因斯坦的旗号出现在量子信息论文的引言中，以讹传讹。另一大谎言是：实验证明隔空鬼魅作用存在。还有其它许多谎言，如玻尔从不认同的波函数坍缩，粒子既在这里又在那里，量子力学的描述是完备的，量子力学是固有非定域的，贝尔定理，量子不可克隆定理，等等。把鬼魅隔空作用谎言和量子隔空传输谎言等写进教科书和科普书，会严重误人子弟和误导公众，污染物理学乃至哲学。 如上论述，用线性光学办法产生多光子纠缠，一方面是基于对量子纠缠本性的错误理解，另一方面是基于把波函数坍缩当作可利用的物理机制，即基于两大原则性、根本性的错误认识。物理学家本应通过严密的实验去纠正错误，而不该相反，去一味编造实验支持那些似是而非的错误认识。大家都在说：“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。”实事一项无成是这种错误认识的结局。据悉，美国防部早就不支持量子隐形传输研发项目，而今，美国“先端情报研究计划活动”机构从国家标准和技术研究所的量子计算组撤回资金，洛斯阿拉莫斯国家实验所也失去对量子加密研究的资助，这不无道理。国际知名激光物理学家沈元壤教授在2006年国内的一次会议上风趣地说：“大家都喜欢做所谓热门课题，我们开玩笑说，如果美国要打败日本等其他国家，一个办法就是想出一个永远也做不成的题目，花一笔钱下去，让其他国家跟着做，然后自己过几年就撤，让别的国家继续花钱下去，这样就会将其他国家都击败了。” 尽管多光子纠缠的线性光学产生法得到许多专家的认可，此地的结论是，凡是用此法产生的都不是真的纠缠，一切演示皆属量子魔术，不断“刷新世界记录”和“国际领先”，恐怕在闹天大的笑话。无论波函数坍缩假设，还是量子纠缠的隔空联动解释，都是违反因果律和相对论原理的，是出于对量子力学的原则性、根本性误解。科学服从因果律，量子力学也不例外。格林伯格说：“量子力学是魔术”，绝对不是，把魔术玩到NATURE和PRL等顶级杂志上倒是当代奇迹，像是国际团伙性走火入魔，不是故意行骗。对负面评论，有人帮助反驳说：发表X的PRL，NATURE的编委全瞎眼了，反倒不如XXXX学院的一个小小的XXX？有些人说得更尖刻：无聊，变半夜凉初透态，妒忌，妖言惑众，唐吉诃德自叹不如，有本事把文章发到NATURE上去。国内正规平面媒体报道该类惊人消息争先恐后，竟不敢报道批评意见，大概怕惹出麻烦。不管学术评论环境的好坏，现在把量子（态）隔空传输、永远解不开的密码、多光子纠缠称为弥天大谎、假大空话、量子魔术，是道出真莫道不消魂相，还是妖言惑众，期待学术界关注和冲破一切障碍开展辩论，这场辩论关系到科学甚至哲学发展的方向，以及关系到人才培养和纳税人的血汗。 本文的中心议题表面上是多光子纠缠，实质上是量子力学基础。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，利用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。”此托氏语录译自乔瑟夫·福德的文章 “Chaotic dynamics and fractals”（混沌动力学和分形），现以此与同仁共勉。 背景资料： "弥天大谎：实现量子隐形传输" "假大空话：永远解不开的密码" "论爱因斯坦-玻尔争论之症结" "对量子态叠加原理的理解" "对海森伯不确定关系式的理解" "谁说玻姆力学是非定域的" "波函数坍缩假设的谬误与祸害" "贝尔不等式的谬误与祸害" "隔空传物理论的谬误与祸害" "量子不可克隆定理的谬误与祸害" "爱因斯坦调和微粒说和波动说百周年纪念" "Heuristic explanation of quantum interference experiments" (http://arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0501/0501148v1.pdf) "Locality of quantum entanglement" (http://arxiv.org/PS_cache/quant-ph/pdf/0512/0512195v1.pdf) "Finding way to bridge the gap between quantum and classical mechanics" (http://arxiv.org/PS_cache/physics/pdf/0512/0512100v1.pdf) （王国文，北京大学物理学院，2010年7月25日） |
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