民科发表的量子力学论文

如果你能拥有一项超能力，你会选择什么？相信“瞬间移动”会是不少人儿时的梦想。这种超能力在物理学上并非不可能。如果我们能够对构成物体的每一个粒子进行测量，然后在目的地用同样的粒子完全复制其状态，就可以得到一模一样的物体。如今，中国科学家在这项技术上取得了重大突破。

今年2月26日，《自然》杂志发表封面文章，介绍了中国科技大学潘建伟项目组的“多自由度量子体系的隐形传态”研究。通俗地说，这一技术可以让科学家在异地瞬间获知粒子状态，从而开启了瞬间传输技术的大门。

5日的政协小组会上，全国政协委员潘建伟用一个比喻向《科技日报》解释了这项研究：“从合肥带到北京一个保险箱，钥匙忘带了。于是我请合肥的同事测量一下钥匙，告诉我；我在北京复制它。”

理论基础：量子纠缠

要想弄清楚“量子隐形传态”的原理，就绕不开“量子纠缠”的概念。量子纠缠是指相距遥远的两个量子所呈现出得关联性。科学家早就发现，处于特定系统中的两个或多个量子，即使相距遥远也总是呈现出相同的状态，当其中一个量子状态改变时，其他量子也会随之改变。

爱因斯坦曾把量子纠缠称为“鬼魅般的超距作用”，不过观察者网曾经报道，科学家如今认为，量子纠缠其实也是需要信道的，潘建伟教授的项目组2013年也测出，量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级。

这就是量子隐形传态的理论基础。在量子纠缠的帮助下，带传输量子携带的量子信息可以被瞬间传递并被复制，因此就相当于科幻小说中描写的“超时空传输”，量子在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地出现。

技术突破：非摧毁性测量

但想测量一下光子，再让远方复制，实现起来是非常困难的。由于太小，光子“一触而溃”，再精细的测量也让它面目全非。

中科大网站介绍说，1997年，国际上首次报道了单一自由度量子隐形传态的实验验证，该工作随后与伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等影响世界的重大科技成果一起入选了《自然》杂志“百年物理学21篇经典论文”。

然而，以往所有的实验实现都存在着一个根本的局限，即只能传输单个自由度的量子状态，而真正的量子物理体系自然地拥有多种自由度的性质，即使是一个最简单的基本粒子，如单光子，它的性质也包括波长、动量、自旋和轨道角动量等等。

潘建伟对科技日报介绍说：“测量一个自由度，不干扰其他自由度，很困难。好比测量身高，尺子一拉，体重就受了影响。”

中科大此次就是进一步发展出了“非摧毁性的测量技术”。经过多年艰苦努力，研究人员成功制备了国际上最高亮度的自旋-轨道角动量超纠缠源、高效率的轨道角动量测量器件，突破了以往国际上只能操纵两光子轨道角动量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋-轨道角动量纠缠实验平台，从而首次让一个光子的“自旋”和“轨道角动量”两项信息能同时传送。

据中科大新闻网报道，该实验成果得到了《自然》杂志审稿人的高度评价，他们一致称赞该工作“绝对新颖、重要，处于当前量子光学和量子信息领域的最前沿，可以认为是一个伟大的成就”、“在1997年单个自由度量子隐形传态实验实现的18年之后，这个工作从基本概念上将量子隐形传态提升到了一个新的水平”、“非常有趣，意义重大，且具有极其苛刻的技术难度”。

由于该成果的重要性，《自然》杂志专门邀请国际知名量子光学专家Wolfgang Tittel教授在同期的“新闻视角”（News and Views）栏目撰文评论：“该实验实现为理解和展示量子物理的一个最深远和最令人费解的预言迈出了重要的一步，并可以作为未来量子网络的一个强大的基本单元”。

该论文发表后，第一时间受到了美国《科学新闻》（Science News）和欧洲物理学会新闻网站Physics World等多家国际媒体的报道，称“该工作不仅为提升量子力学基础问题的理解迈进了关键一步，也将在未来量子计算机的研制中扮演重要角色”。

应用：谢耳朵的难题还很遥远

看过《生活大爆炸》的读者可能还记得，谢耳朵曾经在剧中谈到过瞬间移动（teleportation）的伦理问题：如果我能够在此地被摧毁，然后在异地重建，那么使用了不同原子重建的我，还是我吗？

暂时还不用担心。中科大的这项研究距离宏观物体的远距传输还差的很远，其应用主要在于量子通信。在无线通信中，如果直接使用二进制编码会造成严重的误差，因此在数字通信中，人们还需要进行更复杂的编码。同样，从单自由度传输到多自由度传输的进步，对量子通信的实用化意义重大。

目前的物理理论都只适应于大于普朗克长度的空间尺度，在此尺度之内没有人知道物质以及理论应该是什么样子。ps，所以有人针对不断有民科发表推翻量子力学或狭义相对论的论文建议其都去研究普朗克长度以下的理论以免被人直接丢进回收站。

经典广义相对论的奇性不可避免，所以标准大爆炸模型中时空存在着零点，给了上帝一个容身之地。但是考虑到量子力学的测不准原理，一些基本量度，譬如长度和时间具有测不准性。测不准的程度由普朗克常数确定，从该常数可以定出最小的长度量子，即普朗克长度，为10E－33厘米，这远远小于原子核的尺度。测量任何长度不可能比这个更精确，而且比普朗克长度更短的长度是没有意义的。同样，作为时间量子的最小间隔，即普朗克时间，为10E－43秒。没有比这更短的时间存在。这就是说，我们不可能把黑洞缩减为数学上的一个点，同样也不能追溯到大爆炸的真正开始时刻。普朗克长度l=gh/c3～10-35m=10E-33厘米(是约等于。。。）

所谓的量子纠缠，其实就是高维空间中的物体在三维空间上的投影，在高维空间中，他们是连在一起的同一个物体。 打个比方说，一张桌子放在地上，假设地上的蚂蚁是二维的，他看到的这张桌子就是4个独立的脚，他们是分开的，是4个不同的物体。 当三维中的人移动这张桌子时，蚂蚁看到的是桌子的4个脚在同时移动，他们之间当然是没有时间差的，是超光速的。这时，一个聪明的蚂蚁说：瞧，这4个脚是纠缠的。 量子纠缠被传的神乎其神，主要是国内主流媒体为了配合宣传政策，做出的一些模棱两可的夸张报道，或者是从业的媒体人根本就不了解量子纠缠，人云亦云。包括某些主流媒体都在说的量子通信，根本不是世面上流传的那样神奇，什么超光速通信之类的…这都是后话，在这也不提了。 实际上量子纠缠道理很简单，处于纠缠态的两个粒子，比如他们通过自旋状态实现相干性，它们因为要维持角动量守恒，所以必然是一个左旋，一个右旋。这就好比是一双鞋，或者一副手套，肯定是一个左向一个右向。观测的过程就好比我把一双鞋分开装在两个箱子里，分别带到了美国和英国。在我打开英国的箱子，看到里面是右边的鞋子的同时，我就知道了美国那个箱子里面是左脚的鞋子。而这个过程其实根本不可能给美国和英国之间传递任何有用的信息，我除了知道了另外一个鞋子的种类，其他的什么都没有。当然，这个问题也没有我说的这么简单，比如这还存在一个微观下的测不准原理，但是这样理解绝对没有大方向的错误。 发现没，这根本不难理解，只是媒体不知出于什么想法，一直在误导大众。 看了前面的回答，基本没有哪个讲得清、讲得合乎逻辑。 量子纠缠，来源于爱因斯坦的EPR佯谬。 先从宏观物体说起： 一个静止物体动量是0，如果自发分裂成质量相同的两块，如一个向东，另一个必然向西，因为动量是矢量，分裂的两块动量和仍是0。这就叫动量守恒。 进一步，如果向东物体带着左旋，则向西物体就带右旋。动量仍然守恒。 —————— 到了微观世界，就出问题了。 量子由于不确定性，其在观测之前状态是不定的，也就是说它是左旋还是右旋是不确定的，直到观测后才确定。 如果一个微观粒子自发分裂成两个，一个向东一个向西，到底是左旋还是右旋？这可关系到动量是否守恒。 假设两粒子已经分开了一光年，你观测了东粒子是左旋，则西粒子也会像心灵感应一样，瞬间变右旋，从而与东粒子保持动量守恒。 所以，所谓纠缠粒子，就是一对保持动量守恒的粒子。 肯定有人会说，两个粒子其实在分开那一刻就已确定左右旋了，我们只不过看到一个是左旋，瞬间“知道”另一个是右旋啊，没什么稀奇的。这正是爱因斯坦的观点，即EPR佯谬的由来。后来很多实验都证明爱因斯坦这个观点是错的，这里不详述。（我可没说爱因斯坦都是错的，只说这个方面错）。 既实验证明然爱因斯坦这个观点是错的，那也就是说，两个粒子在分开那一刻左右旋是不确定的，直到被观测那一刻，才各自确定左旋或右旋，并且无论相隔多远，它们都呈现相关关系，一个是左则另一个必然是右，似乎有瞬间感应。这就是纠缠效应的由来。如果不这样，动量守恒就不成立了。 ———— 这里要特别说的是，根据相对论，光速是能量和信息传递的上限。所以量子力学对此的解释是两个量子在被观测前仍然是一个整体，这种感应并没有任何信息传递，并不违反相对论的光速最快的原理。 （所以，顺带说一下，所谓量子通信，并不是利用量子纠缠效应直接传递信息，量子通信实际上是用量子纠缠产生密钥，对明文进行加密，通过传统手段如光纤、无线电等发送出去，本质仍然是传统通信的一种，因为仍然用到了光纤无线电等传统方式，其全称是量子保密通信，量子纠缠只起到获取密钥作用。所以有些人说可以通过量子纠缠效应，跨越海水障碍通和潜艇通信、且无法监听破解（甚至还说某大国在量子对潜艇通信这方面领先），看完了上面这些，你应该知道这根本都是瞎扯谈。想用量子纠缠效应超光速无介质传递信息，先推翻量子力学再说）。 ———— 总结一下，不是任意两个量子就可以纠缠，就好比，大街上不是任意两个男女就是夫妻。 纠缠量子，就是一对状态不确定，但又必须满足同一个物理量守恒的两个量子，比如上面所说的角动量守恒。一旦它们之一被观测，就因为那个物理量的原因，另一个也瞬间确定并且状态相反（比如为了保持角动量守恒）。 这也就是两个量子无论分隔多远，为什么要同时发生变化、状态正好相反的根本原因，它们之间并没有神秘信息传递，完全是因为物理学上的原因。它们是为了满足同一个物理量守恒而“纠缠”在一起。所以这个过程并没有信息传递，既不违反相对论，也不可能直接用于通信。 ———— 如果想了解，其实可以多读几次曹天元写的《上帝掷骰子吗——量子力学史话》，一遍不懂多读几遍。 后面陆续有网友回复，比如什么三维在四维空间投影都出来了。 我点评一下： 一是不要试图用宏观物体的行为去猜测、解释量子力学。一切以实验结果为依据。物理学是实验的科学。 二是，任何解释，最好基于现有成熟理论，因为现有理论是经过实验、合逻辑、经得起考验的。如果要突破现有理论也不是不可以，你的新理论如果能做实验最好，不能实验，起码要在逻辑上能自洽。否则一看就像是民科式的臆想，经不起推敲。 我知道，比如若有人评论某企业不好，一个海军在攻击，在全世界各地的海军同吋感应得到，同吋可以发起反攻击。 量子纠缠现象被称为鬼魅般的超距作用，“超距”两个字可是大多数物理学家都不喜欢的，因为这跳脱了科学的范畴。最开始牛顿发现万有引力定律，唯一一个缺点就是从牛顿万有引力定律出发推出引力是超距作用的，直到爱因斯坦提出广义相对论，从本质上解释了引力作用，认为引力的作用是有速度的等于光速。而量子纠缠现象也是爱因斯坦提出的，这是在与量子力学哥本哈根派论战的背景下提出的。量子力学和相对论被认为是二十世纪物理学的两大支柱，爱因斯坦独自提出相对论，同时对于量子力学也有很大的贡献。但是量子力学的发展路线越走越“歪”，尤其是哥本哈根派的介入，让老一派的物理学家难以接受。尤其是量子力学的不确定性原理，让爱因斯坦戏称为“上帝还掷骰子吗？”，而薛定谔针对这个原理也提出了“薛定谔的猫”思维实验，来嘲讽量子力学根本哈根派的不确定性原理。而随着发展论战趋于“炽热化”，在1935年5月爱因斯坦和另外两位物理学家波多尔斯基和罗森，发表了一篇题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的论文，这个思维实验以三位作者名字首字母共同命名为“ERP实验”。这个思维实验就是量子纠缠，指的就是如果有一个基本粒子分开成A粒子和B粒子，并且这两个粒子分开到足够远的位置，如果对A粒子进行观测它是左旋，那么B粒子就必须是右旋的。按照不确定性原理，A粒子和B粒子的自旋性质是不确定的，只要在观测那一刻才会知道。那么就会出现一种情况，A粒子确定为左旋，那么B粒子是如何“知道”该右旋的哪？这不就是超距作用，那么如果这个A粒子和B粒子的自旋在分开那一刻就确定了，不确定性原理就被推翻了。在波尔听说这个思维实验后茶不思饭不想好几天，最后就提出了这两个粒子虽然天各一方，但本质上还是一个粒子它们处于纠缠状态，这就是量子纠缠。如果再从本质上来说没有人能够解释这样的机制。还有一种说法认为量子纠缠是高维空间在三维空间的投影，之所以表现出这种鬼魅般的超距作用，可能有第四个空间维度在起作用。假如存在二维空间生物，从A点到B点它需要长途跋涉，那么如果从第三个维度它可以瞬间就到达，这就是多出一个空间维度犹如“神迹”。量子纠缠的超距作用也就不在那么鬼魅了。 大多数人觉得量子纠缠超越了时间和空间的限制，即时感应，很是神秘。殊不知，量子纠缠其实是物质世界最本质的特征。 整个宇宙实际是一个量子的世界，激发态的量子构成电磁波和有型物质；基态的量子布满整个宇宙真空，不停地涨起和落下，形成"狄拉克″之海。 而所有量子都处在错综复杂的纠缠态之中。单独一对量子间的纠缠只是无数纠缠态中的一个特例。 那么鬼魅般的量子纠缠是怎么突破时空的局限，瞬时完成的呢？有科学家称:超时距的量子纠缠只能来自高纬。因为在更高纬度中纠缠着的量子对本身就是同一个粒子，就比如把一张纸上相距的两个点比作三维空间纠缠的一对量子，如果把纸按两点中间对折，那么两个点就合拢变成一个点，而三维空间则可能是高纬影射的一个面。 然而前沿的量子场论和环量子引力理论却在研究中发现，我们生活其中的现实结构"时空″，就是在纷繁的量子纠缠中涌现。这是普林斯顿大学和斯坦福大学在2013的合作研究中最先提出的，主要依据是黑洞纠缠中形成虫洞的时空结构。 时空既然来自于量子纠缠，带来的结果是我们每天看到的世界以及感觉到的时间流逝可能只是一种"量子幻觉″。因为"时空并不是量子纠缠的场所，而是量子纠缠的产物″。 现代科学的基础理论通常是用一种假说或模型来解释我们现有宇宙的各种现象和问题，当这种假说或模型存在很大的缺陷，不足以解决科学研究中发现的新问题是，就会被新的假说或模型取代。现在我就用假说的方式来解释一下量子纠缠是怎样超越空间和时间达到瞬间感应的。 现在有一种说法是宇宙是个计算机系统，人和宇宙中的万事万物都是被计算机模拟出来的，自由学者王东岳对《道德经》中道的解释就是程序。道生一，一生二，二生三，三生万物就是指宇宙中的一切都是由程序演化而来。按照这种思路，我们可以尝试解释量子纠缠超越空间和时间的问题的。 如果宇宙是个计算机系统，那么量子叠加态，是因为计算机系统的节能要求，毕竟除了那些科学家，谁还没事关心一个粒子处于什么状态，宇宙中的粒子又是无穷多，所以这种不需要随时表明状态的粒子通常程序都处于休眠状态，所以不是量子处于叠加态，而是系统不表态。 如果宇宙是个计算机系统，而不是一台计算机，每一种物质或每一个粒子都是计算单元，需要用到的的计算单元或需要参与宇宙变化的物质或粒子就激活，不需要的就休眠，你可以把这个过程理解为类似比特币的同步记账，那么量子纠缠可以超越时间和空间你就可以理解为为了系统的效率而特意设定的，因为宇宙对人类来说算得上无穷大的，按照人类认为最快的光速在宇宙中传播指令和信息动辄几十几百亿年无疑效率太低。 其实，如果宇宙是个计算机系统，还能解释很多问题，比如什么是神，神其实就是个有某些特殊权限的管理员，行使系统的赋予的部分管理权限，这也很好理解，没有一些特殊权限，谁还服你管，又不是选出来的。还有宇宙的大小，如果宇宙是计算机系统计算的结果，那么内存有多大，宇宙就有多大，宇宙是被系统所设定的。还有宇宙大爆炸不过是系统的一次初始化。 按照这种假说，每个人都是宇宙的参与者，也是宇宙的创造者，宇宙是数字的，再复杂的构架或过程，都可以看成一个函数，变化的只是参数。宇宙的演化过程，就是这个系统运算的过程，时间只和空间不过是个程序设定的参数。 当然，这只是一种假说，至于真实的宇宙究竟是什么样子，量子纠缠为什么能超越时间和空间，可能还有无数种解释。那么大家就仁者见仁，智者见智。欢迎大家讨论。 我知道并可以现场示法和演示。 量子纠缠，爱因斯坦形象地将其称之为“幽灵般的超距作用”，这事情发生在爱因斯坦提出狭义相对论之后，狭义相对论要求，一切物质包括信息，其传递速度最快只能是光速，超光速是不可能的。但是，量子纠缠这鬼魅般的超距作用让爱因斯坦很反感，于是联合罗森、波多尔斯基发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》的论文，在论文中，他们详细地介绍了一个思想实验，即EPR佯谬，试图反驳当时的量子力学，他们认为量子力学是不完备的。正是这一论文的发表，第一次直观地将量子纠缠展现在大家的面前。那什么是量子纠缠呢？能否通俗地说明一下呢？ 打个比方，你有一副手套，注意，这里可不是经典的手套，而是量子手套，为什么说它是量子手套呢，因为它每一只手套到底是左手还是右手是不确定的，都有50%的几率。此时将这两只手套分开，一只放在上海，一只放在南京，南京的朋友测量了放在他们这里的量子手套，发现是左手的，那么上海的朋友就不需要测量了，因为当南京的朋友测量知道了结果以后，位于上海的那只量子手套不再是50%几率是左是右的叠加态了，而是立刻变化为南京那只手套的对立面，变成了右手手套。记住了哦，这是瞬间变化的，不需要时间。如果不这么形象地表述的话，就是这样了：现在我们制备一对处在纠缠态的电子A与B，它们的总自旋为0，在制备完成之后，将它们分别放在上海与南京，当南京的观测者测量电子A时，发现A的自旋向上，那么位于上海的电子B自旋一定是向下的，而且是在南京的观测者测量之后，电子B立即变化成自旋向下的，而在此之前呢，电子B处于向上或向下的叠加态。量子纠缠确实非常神秘，神秘之处在于这种纠缠确实是超距的，爱因斯坦失望了，结果并没能如他所愿。如果你要问量子纠缠背后的物理机制是怎样的，抱歉，这个问题目前没有人能够解答，如果有人可以科学解释的话，毫无疑问，下一位世界级物理大师就是你了。 好吧，你还在等什么呢？ 文/科学船坞目前科学界公认的“超光速”有两个，一是宇宙空间膨胀速度超光速，二是量子纠缠的“反应”速度超光速这两个超光速现象虽然一个是大到不能再大的宇宙，一个是小到不能再小的量子，但它们有一个共同点就是都不传递信息，因而也就不违反爱因斯坦狭义相对论，但相比宇宙的可理解性，量子纠缠现象对大部分人来说还是一个想不通的迷。 刘慈欣为了将科幻小说《三体》剧情推动下去，专门将“量子纠缠”变成了可以传递信息的超光速通讯手段，利用这个手段三体文明得以实时监控地球并干扰地球上的加速器，但实际上现实中“量子纠缠通讯”还没看到实现的可能，我国的量子纠缠应用也只是“量子纠缠加密”罢了。用一个粗浅的比喻，量子纠缠过程中的两个量子就像是鞋厂做出的一双正常鞋，如果我们某天发现了其中的一只左脚鞋，那么我们就可以确定另一只鞋一定是右脚鞋，那怕那只右脚鞋远在254万光年外的仙女座星系。 目前有量子物理学家认为，处于纠缠状态却天各一方的两个粒子表面上虽然没有联系，但可能有某些尚未发现的量子规律在维持着它们之间的关系，更有甚者甚至认为量子纠缠“鬼魅般”的超距作用来源于更高纬度的空间。 总得来说量子力学还有很大的进步空间和发展空间，对于“量子”这种微观粒子的统称而言人类需要学习的还有很多。