量子理论若干基本问题

以量子力学为核心的量子物理无疑是本世纪最深刻、最有成就的科学理论之一。它不仅代表了人类对微观世界基本认识的革命性进步，而且带来了许多划时代的技术创新（如半导体和激光器的发明），直接推动了社会生产力的发展，从根本上改变了人类的物质生活。量子理论过去的成功并不意味着它是一个彻底完善的物理学理论。自量子力学诞生以来，关于量子力学的思想基础和基本问题的争论，从来就没有停止过。人们对于量子力学本身的完备性及其一些基本观念的理解，甚至持有截然不同的观点，最近伴随着技未的飞速进步，过去各种仅限哲学思辩式讨论的量子理论基本问题的研究，已经能够在实验室里加以检验，使得人们对量子物理基本问题的理解建立在更加坚实的实验基础之上。由于这些量子力学基本问题所涉及的观念在信息科学有重要的应用，在加上实验方面的飞速进展，量子力学基本问题的研究得到了物理学界更加广泛的注视。

报告结合最近的典型量子物理实验，如用冷原子Bragg散射实现的“which-way”实验，量子退相干过程的微腔QED检验和C60分子的量子干涉等，本文比较系统地介绍了量子理论基木问题若干研究的新进展，特别强调了处于其核心的量子测量问题及其相关的基本概念，基本思想，如EPR佯谬和Bell不等式，量子退相干和量子纠缠。从理论和实验结合的角度，本文阐述了被测系统，测量仪器和环境的相互作用导致量子测量的动力学过程。由此还讨论了外部环境和内部运动怎样诱导量子退相干和量子耗散，对“薛定谔猫佯谬”和“宏观物体空间局域化描述”给出了可能的物理解释。最后，通过具体例子，简单地讨论了量子物理基本问题的研究结果对量了信息的应用。

　在1927年Solvay物理学会议上, 爱因斯坦和（A.Eistein）玻尔（N.Borh）开始了关于量子力学基本问题的论战，引发了一系列关于量子物理的思想观念的深人讨论，如薛定谔的“死猫一活猫”佯谬（1935年），爱因斯坦一波多斯基一罗森的EPR佯谬（1935年）冯. 诺意曼测量假说和波包塌缩（1932年）, 玻姆的隐变量理论（1952年），宏观物体质心定域化问题（1950〕以及Bell不等式及其实验验证《1964年，1981年，1975年）。对于这些问题进行稍微仔细的考察，就不难发现它们均密切联系于量子力学测量的基本问题：对于微观粒子运动状态的有效测量，必将在可观测的意义上使粒子原来的运动产生不可逆的改变。这种不可逆的改变起因于量子力学的互补性原理（Complementarity）：依据标准的“哥本哈根解释”，物质运动具有粒子和波的双重属性，但在同一个实验中二者是相互排斥的。例如，在双缝干涉实验中，测量粒子通过了哪一个缝，等于强调了波粒二象性的粒子特性，与粒子性互补的波动性便被排斥了，干涉条纹便不再存在了。这种由于测量或其它影响导致相干性消失的现象称之为量子退相干（Quantum decoherence）。仅就量子测量而言，人们称之为波包塌缩（Wave packet collapse）。

　　测不准关系的解释表明，通过具有“粒子特征”的测量（如同时测量动量和坐标），去描述具有“波粒二象性”的物质运动，会带来测量的不确定性。看上去，动量和坐标的测不准关系是引起被测系统量子退相干的一个重要原因，但最近德国Rampe小组的冷却原子布拉格散射实验表明，测不准关系不是量子退相干的唯一起因，而形成测量仪器和被测系统的量子纠缠态（Entangled state）是问题的核心。量子纠缠态的观念起源于薛定谔关于“活猫一死描”佯谬的讨论，其进一步的发展与描述量子定域性的EPR问题相联民系，本报告将比较深入地介绍这些问题的理论和实验。
　　事实上，对许多量子现象（如量子相干和退相干）本质的理解，人们并非得到了最后的答案。所有的讨论，目前都正在经历各种量子测量实验的检验。从更广泛的意义上讲，在量子力学的标准框架-哥本哈根解释中，经典仪器的引入是不可避免的。但是，人们希望量子力学成为描述整个宇宙的一个普遍理论，它不仅能够描述一个微观的物理系统，还应当描述观测着这个系统的宏观测量仪器。这就要求建立一种动力学的量子测量理论：通过仪器和系统的相互作用，把系统和仪器形成的团合系统看成一个服从量子力学的整体。薛定谔方程或海森堡方程支配着整个系统的动力学演化。把它约化到被测系统部分，我们希望能够自然得到诸如干涉条纹消失之类的量子返相干或量子耗散等不可逆现象。这种描述量子退相干动力学理论最早是由冯·诺意曼和威格纳提出的。但由于他们的理论没有一开始就考虑仪器自身的经典或宏观属性（仪器的量子数很大或组成仪器的粒子数很大），要想自洽地实现波包塌缩，必须引入仪器链一“冯·诺意曼链，让链中的每一个仪器来测量前面的整个系统的状态，以产生所有体系的波包塌缩。这会导致哲学理解上的困难：要想实现系统量子退相干，必须引入量子世界以外的观察者。
　　1971年，Hepp通过与Coleman的通信讨论，提出了一个没有“主观”观察者量子测量模型（HC模型）。他们假定仪器是一个由N个自旋1／2粒子组成的阵列。考虑到仪器宏观属性意味着组成仪器的位于数目很大，他们证明了与仪器相互作用的极端相对论粒子将自动产生波包塌缩。Bell对此提出的批评和Cini提出的另一个类似的模型，进一步促进了这一类量子测量动力学理论的发展。其中包括我们把HC模型自旋阵列中的粒子自旋变为任意（半〕整数j的经典极限推广。1992年，我们由此发现了有效演化矩阵因子化是各量子测量动力学模型实现波包塌缩的本质。本报告将结合最近观察量子退相干动力学过程的各种精巧的实验，介绍量子测量理论的基本思想和相应的基本概念，还将以量子耗散为基础，深入分析环境对其中量子系统的影响。最后，应用这些理论与概念，报告讨论了随机环境对其中量子信息载体-量子比特相干性的影响。
　　从基本物理学角度看，量子信息的载体是只有量子力学才能描述的微观系统，它的传递和处理必定是具有量子特征的物理过程。根据计算机发展的Moore定律，它的中心处理器的运行速度每18个月就会提高一倍，相应地，芯片上晶体管集成的数目随时间呈e憎数增长。这意味着存储单元会变得越来越小（甚全变成单个原子）使得量子效应越来越明显地凸现出来。因此，在微观世中，基本量子特性——量子相干性会在信息的存储、传递和处理过程中起着核心的作用。摩尔定律也预示着计算机芯片元件不久将会达到它的极限尺度，所以突破芯片元件尺度的极限是当前信息科学所面临的一个重大科学问题。近年己形成热潮的量子信息的研究就是以量子力学基本原理为基础、充分利用量子相干性的独特性质（量子并行、量子纠缠和量子不可克隆），探索以全新的方式进行计算，编码和信息传输的可能性，是一种探索突破芯片极限的新途径。量子力学与信息科学结合，不仅充分显示了学科交叉的重霎性。量子计算方案的最终物理实现，可能会导致信息科学观念和模式的革命。目前量子信息研究的首要任务之一是寻求和探索合适的量子系统（如非线性晶，核磁共振，量子点和光学微腔等〕作为信息载体。在保持系统的量子相干性的同时，能稳定地记录和方便地读出信息。量子信息的写入和读出相当于量子态的制备和量子测量，而信息的提取和环境的影响会导致量子相干性的破坏。这就要涉及到微观系统与宏观经典系统相互作用和量子不可逆过程等一般量子测量问题的研究。控制量子态的演化和保持量子相干性是量子信息研究引发的重要理论物理问题。

原文发布时间为：2016-03-17
本文作者：罗恩·考恩
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