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量子信息视角下的真空(二):非局域性、量子纠缠
20世纪20年代诞生的量子力学,给人们打开了微观世界的大门,往往被称为“第一次量子力学革命”。量子力学有着一些奇特的性质,例如波函数的几率幅、波粒二象性、薛定谔猫、量子纠缠等等。而围绕着这些奇特性质,有着各种疑惑和解释。
1935年,爱因斯坦等提出所谓EPR (Einstein—Podolsky—Rosen) 的思想实验:设想有两个自旋1/2 的粒子A 和B,构成纠缠态|↑>A|↓>B+ |↓>A|↑>B,并放在相聚遥远的两个地方。在未测量时,B粒子各有50%的几率自旋向下↓或向上↑。但是当A粒子被测量时,如果测量结果为A粒子自旋向上↑,那么B粒子将以100%的几率处在自旋向下↓;如果测量结果为A粒子自旋向下↓,那么B粒子将以100%的几率处在自旋向上↑。看起来,量子力学中存在着“幽灵般的超距作用”,B粒子的状态似乎被A粒子的测量所控制 (注意这里并不存在所谓信息的传递) 。
实质上,这种处在量子纠缠态的粒子,即使空间上分隔遥远,但存在量子关联,称为“量子非局域性”。这样一个思想实验进一步启发了贝尔 (J. Bell) 提出贝尔不等式,将这些思想性的实验付诸于真实的实验。从1970年代开始起,物理学家在各种量子系统上,采用各种实验手段进行实验研究,其中法国学者阿斯派克特 (A. Aspect) 利用光子对的实验备受关注。而在2015年,荷兰研究组利用两块相聚1.5 km的金刚石色心中电子自旋,完成了所谓无漏洞的贝尔不等式的验证。
这场爱因斯坦和玻尔之间的学术争论,揭示了量子世界更为深刻和基础的性质:量子非局域性。可以预想,就像当年关于黑体辐射的深入研究,导致了量子力学的第一次革命,对于这些量子世界的奇特性质的更深入的探索,将导致量子力学的第二次革命!
第一次量子革命,物理学家主要是问“做什么”,即量子力学应用到各个领域,已经取得了非常丰硕的成果。而第二次量子革命,物理学家更多是问“为什么”,即量子力学的奇特性质到底为什么是这样。例如,通过薛定谔猫问题的研究,探索量子世界与经典世界的界限问题。除了正统的波包塌缩解释,以及退相干过程解释等,还有没有令人满意的量子测量的理论?量子力学和非局域隐变量理论,到底哪一个才是微观世界的基本理论?
特别是关于量子力学最为奇特的属性之一:量子非局域性,它的根源是什么?我们认为:真空概念的发展有可能为这一问题的回答提供可能的契机。
一种可能是来自所谓ER=EPR 猜想。如图7(a)所示,广义相对论预言,存在一个连接两个不同时空区域的通道——ER (Einstein-Rosen) 桥,形象地用虫洞来表示。2013年,美国学者提出:一个黑洞有可能通过虫洞与另一个相距遥远的黑洞处于纠缠态,即虫洞和纠缠态是等价的,ER=EPR。也就是说,量子纠缠可以看作是联系两个区域的时间结构。
图7 (a)ER=EPR 示意图:远程的虫洞连接和纠缠关联是等价的;(b)我们的一个猜想:真空背景(绿色)中充满了大量的关联(蓝线),正是这种“以太”造成两个相聚遥远的粒子发生纠缠一种可能是我们的大胆猜测:如图7(b)所示,真空不空,充满着量子以太。这种遍布空间的以太,天然地具有非局域的关联,这种内禀的关联正是量子非局域性、量子纠缠的起源。值得我们指出的是,爱因斯坦和Grommer 就曾尝试从广义相对论的真空场方程中推到量子力学的不确定关系。我们设想,也许可以构造一个量子以太的模型,从中推导出量子纠缠的关系式。
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