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【中国科技人才】量子力学里程碑与二次革命

发布时间:2016-03-05

量子理论是迄今最成功的物理学理论。基于量子理论所开发出来的电脑、手机、激光、和平利用核能和量子技术,其造福人类社会已半个多世纪。然而,有关量子世界的种种奇异特性人们依然迷惑不解,争论不休。量子理论诞生100多年来,人们不断追问量子理论能为人类“做什么”,并大获成功,而量子世界“为什么”是这样的却知之甚微。最近几十年,量子信息的发展为人类提供了探索量子世界奥秘的新原理,新方法,人们有望在量子理论诞生第二个百年内解开量子世界神秘面纱。“量子力学二次革命”的战鼓已经敲响。这场新的革命中,除了继续问“做什么”,更重要是去追问“为什么”。

 

作者简介

  郭光灿,物理学家,中国量子光学和量子信息开创者、奠基人。中国科学院院士、第三世界科学院院士。

 

2001年郭光灿作为首席科学家申请到中国量子信息领域第一个科技部“973”项目,该项目的实施奠定了我国量子信息蓬勃发展的基础。他组建的这支研究队伍先后培养出5位中科院院士和十多位科技部“973”项目首席科学家。

 

郭光灿创建了中国量子信息领域第一个省部级重点实验室——中国科学院量子信息重点实验室,并带领团队提出“量子避错编码原理”、“概率量子克隆原理”,在国际上引起很大反响;提出“利用光腔制备两原子纠缠的方案”,被2012年诺贝尔物理学奖得主法国科学家沙吉·哈罗彻实验证实;研制成功国内首个光纤量子密钥系统;实验上首次同时观察到光子的波动性和粒子性,挑战玻尔互补原理设定的界限;研制成功8光子量子纠缠态,首次演示6光子纠缠的非局域性;研制成功国际上迄今性能最好的固态量子存储器;首次在宏观尺度无漏洞地验证可用于判别宏观和微观界限的LG不等式;研究成功可同时实现快速操控和长相干时间的新型量子比特编码等。

 

量子理论诞生背景

 

19世纪末,整个物理学界十分乐观地认为,物理学已经发展得登峰造极,所有的物理学现象,除两个问题以外,都可由当时的物理学理论圆满地解释;而这两个例外的问题也迟早会被圆满解释。然而,出乎人们意料,这两个问题后来成了“笼罩在物理学上空的两朵乌云”。其中一朵“乌云”是黑体辐射所导致的“紫外灾难”,正是对这朵“乌云”的研究,催生了量子理论。另一朵“乌云”是迈克尔逊-莫雷实验导致的“以太说”破灭,而相对论的诞生让这朵“乌云”消失殆尽。量子理论和相对论也成为现代物理学两大支柱。

 

普朗克于1900年提出“量子”概念,宣告“量子”时代诞生。

 

量子力学建立里程碑事件


1900年,普朗克(Max Plank)假设能量的吸收和发射是量子化的,首次提出量子的概念“Quanta”,并以此解决了著名的黑体辐射问题。普朗克也因此获得1918年的诺贝尔物理学奖。

  1905年,爱因斯坦(A. Einstein)以“光量子”为基础给出了光电效应的正确解释,并进一步提出光子(photon)的概念。爱因斯坦因光电效应的理论贡献获得1921年诺贝尔物理学奖。光电效应实验主要由密立根(A. Millikan) 完成,他也因油滴实验和光电效应实验获得1923年诺贝尔物理学奖。

 

许多量子现象被发现,量子理论逐渐被科学界所接受,包括:康普顿(Compton)散射(1927年诺奖),拉曼(Raman)效应(1930诺奖)和赛曼(Zeeman)效应(1902诺奖)。

 

1925年,海森堡(1932年诺奖), 玻恩(1954诺奖)和约尔丹(Jordan),提出矩阵动力学 (海森堡方程),这是第一个自洽的量子力学动力学方程。

 

 1925-1926年,薛定谔(1933年诺奖)提出著名的薛定谔方程用以描述波函数的动力学行为。

 

1927年,狄拉克(1933诺奖)提出狄拉克符号(量子态),以及量子态会形成希尔伯特(Hilbert)空间,并指出薛定谔方程和海森堡方程的等价性。

 

1932年,冯•诺依曼将量子力学建立在严格的数学框架之下。

 

1948年,费曼(1965诺奖)提出量子力学的路径积分公式。费曼路径积分公式不同于薛定谔方程和海森堡方程(它们是从哈密顿量出发的),它是从拉格朗日量出发,并基于作用量原理的公式。

 

量子理论基础(解释)里程碑事件

 

1924年,德布罗意(1929诺奖)提出波粒二象性假说。

  1924-1925, 泡利(1945诺奖)提出“泡利不相容原理”。

  1926年,玻恩提出波函数的概率解释。

  1927年,玻尔提出了互补原理。

  1927年, 海森堡提出了测不准原理。

  1920年代-1930年代 ,量子力学的哥本哈根解释形成。

  1920年代-1930年代,玻尔-爱因斯坦论战。

  1935年,薛定谔提出被称为‘薛定谔猫’的佯谬。

  1935年,爱因斯坦等提出 EPR佯谬,对量子力学的完备性提出质疑。

  1952年, 玻姆提出玻姆力学(1927年,德布罗意有类似想法)以解决传统量子力学的不确定性问题。玻姆力学是确定性的、非定域隐变量理论。

  1964年,贝尔提出贝尔不等式,这是可以直接实验判定的不等式,进而可以实验区分量子力学和局域隐变量理论。贝尔不等式将量子理论基础的哲学讨论重新拉回到物理学。

  1982年,阿斯派克特( Aspect)等人首先对贝尔不等式进行了实验检测,实验结果支持量子力学。

  1985年,莱格特(A. J. Leggett)和加格(A. Garg)提出L-G不等式,可用于对宏观实在性的检验。

  1980年代,祖瑞克(Zurek)等将退相干理论用于解释量子测量中的波包塌缩(1930年代,冯•诺依曼有类似的想法)。

  2015年,在不同系统中实现无漏洞的贝尔不等式检测,实验结果支持量子力学。

 

当前研究热点与难点

 

量子理论是迄今最成功的物理学理论。基于量子理论所开发出来的电脑、手机、激光、和平利用核能和量子技术,其造福人类社会已半个多世纪。然而,有关量子世界的种种奇异特性人们依然迷惑不解,争论不休。量子理论诞生100多年来,人们不断追问量子理论能为人类“做什么”,并大获成功,而量子世界“为什么”是这样的却知之甚微。最近几十年,量子信息的发展为人类提供了探索量子世界奥秘的新原理,新方法,人们有望在量子理论诞生第二个百年内解开量子世界神秘面纱。“量子力学二次革命”的战鼓已经敲响。这场新的革命中,除了继续问“做什么”,更重要是去追问“为什么”。当前科学界关注的热点问题有如下几个方面:

 

1.量子世界与经典世界的界限问题(薛定谔猫佯谬)

 

量子世界和经典世界遵循着不同的物理规律。然而,我们知道任意经典世界的物理系统都是由大量的微观粒子组成。“少量”微观粒子的行为由量子力学描述,而“大量”微观粒子组成的经典系统却遵循经典力学。那么,经典世界和量子世界的界限在哪里?更具体的问题是: 薛定谔的猫态在何种宏观的尺度上存在?在量子世界和经典世界的边界附近是否有新的物理?当前的实验物理学家们正在努力制备更大的宏观叠加态,以期对这一问题进行研究。

 

2.量子测量问题

 

 量子测量是量子力学基础的核心问题之一。量子力学的哥本哈根解释中,量子测量包含一个波包塌缩的过程,这一塌缩过程无法由量子动力学过程来描述。这就使得整个的量子力学需要有两个不同的过程:幺正演化和波包塌缩,这是不可接受的。更大的问题在于,对这个塌缩过程人们知之甚微。为此,物理学家们尝试了各种能将波包塌缩过程去掉的量子测量理论,比如,退相干理论、多世界理论等。然而到现在为止,人们还没有找到一种满意的量子测量理论。

 

3.隐变量和非局域问题

 

量子力学测量结果的随机性也是人们对量子力学不满意的重要原因之一。随机性与经典世界的实在性经验相违背。为消除随机性,人们就设想量子力学仅仅是一个唯象理论,它有一个更深层的隐变量理论,量子力学的随机性是由隐变量的随机性确定的。人们尝试了不同的隐变量理论,比如,贝尔的局域隐变量理论和玻姆的导引波隐变量理论。人们已经发现局域隐变量理论与量子力学是不相容的,这说明量子力学是非定域的。那么,量子力学和非定域的隐变量理论(如玻姆力学)哪个才是微观世界更基本的理论呢?物理学家们正在设计实验来区分和检验量子力学与非局域隐变量理论。

 

4.量子力学与因果律

 

因果律是公认的物理学中最重要的原理之一,狭义相对论建立了不同事件之间的因果关系。按照因果律原则,人们研究发现,不同二能级系统之间的CHSH关联可以达到4,而量子力学所能达到的上限是。一个很自然的问题是:为什么量子力学的关联被限制住了?这里面有什么新的物理原理?人们是否能够按这个新的原理来重构量子力学?在这方面,物理学家们已经开始了一些尝试,比如,引入信息因果。

 

5.量子力学与相对论的融合


  量子力学和相对论是近代物理最重要的两大支柱。然而,这两大支柱之间的融合却是当今物理学最大的困难。然而,量子信息理论的发展为这两个理论的融合提供了契机。新的研究发现量子纠缠在空间几何化中可能起着关键性的作用,量子纠缠可能是空间的起源。基于这一新的思路,物理学家们正在研究量子力学和相对论的融合问题,而且很有可能取得突破。

 

作者:郭光灿 韩永建 2016-02-22 中国科技人才

http://www.italents.cn/journal/239.html