真有量子态超空间转移的事儿吗？

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几乎没有人会相信神出鬼没、超距感应的事情，这类玩意儿只见于幻想<br />小说或电影，像《星舰奇航记》、《西游记》。惊人的是，1997年以来，<br />在国际一流科学杂志上发表的不少论文中声称类似的事已经真的实现，<br />研究热潮方兴未艾。此事发端于贝内特等6人的一篇论文，1993年他们根<br />据纠缠量子的所谓非局域关联提出了量子态超空间转移思想和理论，该<br />理论被认为是量子信息理论的重要组成部分。国内有专家把量子信息技<br />术与20世纪的半导体、激光和核能技术开拓相提并论，也有学者认为这<br />是中国科学家有望问鼎诺贝尔奖的领域。量子态超空间转移，也称量子<br />隐形传态、量子远程传态、量子离物传态或量子传真，有教授把它的实<br />现看作是量子力学实验和理论方面的新进展写进量子力学教材。他们认<br />为，这种非局域关联或称非局域作用能使量子态从一个地方无需媒介瞬<br />间转移到另一个地方，以至遥远的天边。爱因斯坦在1947年3月给玻恩的<br />信中称非局域作用为幽灵般的远距离作用，又在1949年写的“自传笔记<br />”中把它比作传心术，他不相信自然界存在这样的作用。然而，在爱因<br />斯坦去世后不过十年，有一位物理学家叫贝尔，利用补充经典变量论证<br />了实在量子的纠缠意味着量子行为的非局域性，并推出了一个不等式，<br />此后许多所谓检验此类不等式的实验几乎完全“证实了”非局域作用的<br />存在。斯塔普称贝尔的工作是最有深远意义的科学发现。 贝内特等人的<br />量子态超空间转移理论是在这样的形势下顺理成章地问世和流传。 量子<br />态超空间转移被认为是量子信息理论和技术的范例，我们国内也特别受<br />重视，也有令人赞叹的成就。据报道，中国科技大学潘建伟领导的研究<br />组在量子纠缠态的制备和量子态超空间转移的实现方面取得了突破性进<br />展，国际领先，曾获得英国《自然》杂志，美国《物理评论》，欧洲物<br />理学会，美国物理学会，奥地利科学院和中国科学院等的肯定或褒扬。<br />无疑，量子态超空间转移的可能性和实现问题，不仅关系到量子信息技<br />术的开发，而且关系到两位物理泰斗爱因斯坦和玻尔争论的是非，关系<br />到对量子力学的合理诠释，关系到相对论和量子论的融合，以及关系到<br />哲学和文化等，其重要性自不待言。 <br /><br />关于量子态超空间转移，可以杜撰一个形象的比喻，先把一个大面团对<br />半分成两个，比作两个量子，把其中一个发给爱丽丝，把另一个发给鲍<br />勃。现在有位柯莱儿要把一个馒头送给鲍勃，爱丽丝需要做的是，把这<br />馒头放进量子传真机与她的面团进行某种联合操作，此时假如指示器上<br />报告操作得到某个结果，则她打电话把这个结果告诉鲍勃，那时鲍勃在<br />他的接收机上只要按一下相应的按钮令做一个简单的操作，就有一个由<br />面团变成的馒头到手了。更有甚者，潘建伟说：“为什么我们不可以大<br />胆一些，不可以想象：由各种各样分子组成的人，也可以在瞬间，带着<br />他所有的记忆，带着他的品质，带着他的痛苦和欢乐，甚至包括感冒，<br />传输到遥远的地方？”（《中国青年》2004-12-30） <br /><br />有一些量子态超空间转移实验是用激光做的，有一个发射台，发射辅助<br />超空间转移用的成对纠缠光子，假设一对中的一个光子发向爱丽丝，另<br />一个发向鲍勃。现在如果柯莱儿要发送一个携带无限大量比特信息的光<br />子给鲍勃，她交给了爱丽丝办理。实际实验设备和操作是非常复杂的，<br />简化地说，爱丽丝面前的设备由量子态乘法器和分析器两部分组成，分<br />析器上有4个报告分析结果的指示灯，各以00，01，10，11编号，鲍勃方<br />面有量子态感应器和校正器。发送时，爱丽丝把柯莱儿的光子与那辅助<br />的光子输入乘法器得到处于积态的一对光子，再把这对光子输入分析器，<br />并注视哪个指示灯亮起。因为量子态预示的测量结果是几率性的，所以<br />各灯亮起的几率是1/4，至于哪个灯亮起则是随机的。假如爱丽丝发现01<br />号灯亮起，则按贝内特等人的理论，量子态超空间转移过程已经“成功<br />”，即鲍勃手头的光子的态已经变成了与发送态相近或相同的态。如果<br />爱丽丝打个电话把结果“01”告诉鲍勃，则他按照“01”指定的简单线<br />性变换对超空间转移获得的态做一下校正，就获得同柯莱儿交发的一模<br />一样的光子了，它携带着来自柯莱儿的无限大量比特信息。妙哉！这里<br />传输无限大量比特信息只用了2比特信息。研究者深信这种通信技术的可<br />行性是量子力学原理所“保证”的。说到这儿，也许有人不禁要问，真<br />有这样奇妙的事儿吗？这里所谓的超空间转移过程“成功”是否虚假？<br />量子纠缠是怎么回事？ <br /><br />我们先探讨量子纠缠从何而来。这要从量子干涉现象谈起，在弱光的双<br />缝干涉实验中，探测屏上出现的微小斑点清楚显示光子有一个点状的部<br />分，即有一个反映能量集中的峰，而出现的干涉条纹好像暗示它还具有<br />鲜为人知的峰外部分，因而自然推想条纹起因于被双缝割出的含峰片与<br />不含峰片的自身联合。爱因斯坦在1909年写道：“我总是认为，目前最<br />自然的观点是：光的电磁场的出现是同奇点相联系的，就像静电场的出<br />现遵循电子理论一样。不能排斥，在这样一个理论中，电磁场的全部能<br />量，可以看作是定域于这个奇点，完全像过去的超距作用那样。我设想，<br />也许每一个这样的奇点都被一个力场围绕着，这种力场在本质上具有平<br />面波的特性，而其振幅随同奇点的距离的增长而减小。”（爱因斯坦全<br />集二卷505页） 虽然他曾自称50年思考还未接近光量子是什么的解答，<br />但是上述观点近乎定性地说，一个量子实体包含一个波包峰和其峰外部<br />分。事实上已能做到在相对论框架内用不会发散的线性波包来描述一个<br />自由量子，其中与动量和能量相关的特征分量即是量子的波函数。对这<br />种描述有人接受，有人不屑一顾。不管如何，笔者深信，如果量子没有<br />峰外部分就不会有量子干涉，不会有量子纠缠，也不会有其它种种量子<br />怪事。 <br /><br />我们再探讨量子是如何纠缠的。前面所述的那对辅助光子是用高功率激<br />光在非线性晶体中产生的纠缠光子，通常说，其中光子A发到爱丽丝处，<br />光子B发到鲍勃处，其实这种说法无异于视光子为经典实体。如果视光子<br />为上面所述那样的量子实体，则可以设想，当光子B的含峰片包括其平面<br />电磁波向鲍勃方向运动时，它的一个不含峰片包括其平面电磁波同时跟<br />着光子A的含峰片走，如影随形、永不分离，且二者与生俱来叠加干涉。<br />同样，A的一个不含峰片也跟着B的含峰片走。并且，如果爱丽丝对光子<br />A的含峰片进行测量，它的伴随者也必然受到同样的测量，它们仿佛同呼<br />吸共命运；甚至若B的含峰片连同其伴随者在鲍勃处被毁了，在爱丽丝处<br />A的含峰片的伴随者也还总是“阴魂不散”，真所谓，远在天边，近在眼<br />前。这可能就是量子理论中用四个态描述的二光子纠缠数学表示式所反<br />映的真实情景，那些重叠成分（即一个光子的态和另一光子的准空态）<br />的永不分离性是量子纠缠的根本特征。上述与生俱来的叠加干涉决定着<br />爱丽丝和鲍勃双方实验测量结果的非经典关联，这种关联无关于无端的<br />非局域作用，因此，量子纠缠并不意味着存在幽灵般的远距离作用，也<br />不意味着量子力学与相对论相性因果律相抵触。特别需要指出的是，贝<br />尔对量子峰外部分的存在毫无意识，所谓贝尔不等式是用“潜变量”把<br />经典实体扮成量子实体推导出来的，因此这类不等式根本不可以作为鉴<br />别量子纠缠是否具有局域性的试金石，称贝尔的工作是最有深远意义的<br />科学发现是无稽之谈。 <br /><br />上面只谈到在非线性晶体中产生的二光子纠缠，而要用非线性晶体产生<br />能用于实验的三光子纠缠还不太现实，据报道，这是因为现有材料的三<br />阶非线性极化率很小以及受现有激光器的功率限制。既然三光子纠缠产<br />生的情况如此，不用说产生更多的光子纠缠了。为避开这种限制，奥地<br />利泽林格指导的团队以及他影响下的研究组大胆采用线性光学器件分束<br />器和单光子计数符合测量来产生所谓三、四、五光子纠缠态。由于通过<br />分束器形成的态的成分不具有永不分离性，所以他们所谓实现的三、四、<br />五光子纠缠都不是真的量子纠缠。 <br /><br />我们知道，爱因斯坦因认为“量子理论含有幽灵般的远距离作用的意思<br />”而“不能虔诚地相信”这个理论，反之，有很多人因欣赏贝尔不等式<br />及其检验证明量子力学正确而确信量子纠缠体现非局域作用，现在我们<br />看到，上面所描述的量子纠缠情景能够把他们各方坚持的合理方面，即<br />量子力学是正确的和不存在非局域作用，融合起来，说明量子力学的本<br />性是局域的，也就是说，它并不含有超距作用或超距感应的意思。我们<br />也看到上述两种相反态度都带有对量子纠缠数学表示形式的误解，而贝<br />内特等人的量子态超空间转移思想正是这种误解的产物，因此可以断言，<br />量子态超空间转移绝无可能性。既不可能，何来实现？ <br /><br />笔者在浏览有关文献后觉得，那些量子态超空间转移的实验演示和结论<br />中不无疑点，超空间转移是否真的已经实现还是个问题，真相分晓尚待<br />时日。以笔者拙见，不仅量子态超空间转移，一切取决于超距感应的信<br />息技术开发方案都不能指望成功，更不能指望通过这类实验来证明局域<br />实在论思想失败。本来，激光技术及其它技术的成熟为量子纠缠的应用<br />开发创造了条件，无疑这是有科学意义和应用前景的研究方向，遗憾的<br />是，国外和国内许多研究组被量子态超空间转移思想误导步入迷途，加<br />上其他因素，他们的论著和宣传造成超距感应神话在科技和科普作品中<br />泛滥。轻率做出实验结论以附和反局域实在论思想可是危险的，恐怕打<br />着实验证明旗号的神话会严重危害科学技术的发展和思想文化的进步。<br />（作者：北京大学物理学院王国文）