求量子力学的所有观点与概念以及实验的过程
量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论提供了新的关于自然界的观察、思考和表述方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学、粒子物理学以及现代信息技术奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射，粒子的无限可分和信息携带等。尤其它的开放性和不确定性，启发人类更多的发现和创造。
内涵
不确定性
海森伯不确定原则是量子论中最重要的原则之一。最初的不确定性原理指出，不可能同时精确地测量出粒子的动量和位置，因为在测量过程中仪器会对测量过程产生干扰，测量其动量就会改变其位置，反之亦然。量子理论跨越了牛顿力学中的死角，在解释事物的宏观行为时，只有量子理论能处理原子和分子现象中的细节。但是，这一新理论所产生的似是而非的矛盾说法比光的波粒二重性还要多。牛顿力学以确定性和决定性来回答问题，量子理论则用可能性和统计数据来回答。传统物理学精确地告诉我们火星在哪里，而量子理论让我们就原子中电子的位置进行一场赌博。海森伯不确定性使人类对微观世界的认识受到了绝对的限制，并告诉我们要想丝毫不影响结果，就无法进行测量。量子力学的奠基人之一薛定谔在1935年就意识到了量子力学中不确定性的问题，并假设了一个著名的猫思维实验：“一只猫关在一钢盒内，盒中有下述极残忍的装置（必须保证此装置不受猫的直接干扰）：在盖革计数器中有一小块辐射物质，它非常小，或许在1小时中只有一个原子衰变。在相同的几率下或许没有一个原子衰变。如果发生衰变，计数管便放电并通过继电器释放一个锤，击碎一个小小的氰化物瓶。如果人们使这整个系统自在1个小时，那么人们会说，如果在此期间没有原子衰变，这猫就是活的。第一次原子衰变必定会毒杀了这只猫。”
常识告诉我们那只猫非死即活，两者必居其一。可是按照量子力学的规则，盒内整个系统处于两种态的叠加之中，一态中有活猫，另一态中有死猫。但是有谁在现实生活中见过一个又活又死的猫呢？猫应该知道自己是活还是死，然而量子理论告诉我们，这个不幸的动物处于一种悬而未决的死活状态中，直到某人窥视盒内看个究竟为止。此时，它要么变得生气勃勃，要么立刻死亡。如果把猫换成一个人，那么详谬变得更尖锐了，因为这样一来，监禁在盒内的那位朋友会自始至终地意识到他是健康与否。如果实验员打开盒子，发现他仍然是活的，那时他可以问他的朋友，在此观察前他感觉如何，显然这位朋友会回答在所有的时间中他绝对活着。可这跟量子力学是相矛盾的，因为量子理论认为在盒内的东西被观察之前那位朋友仍处在活－死叠加状态中。
玻尔敏锐地意识到它正表征了经典概念的局限性，因此以此为基础提出“互补原则”（并协原理），认为在量子领域总是存在互相排斥的两种经典特征，正是它们的互补构成了量子力学的基本特征。玻尔的互补原则被称为正统的哥本哈根解释，但爱因斯坦一直不同意。他始终认为统计性的量子力学是不完备的，而互补原理是一种绥靖哲学，因而一再提出假说和实验责难量子论，但玻尔总能给出自洽的回答，为量子论辩护。爱因斯坦与玻尔的论战持续了半个世纪，直到他们两人去世也没有完结。
质疑
玻尔与爱因斯坦
薛定谔猫实验告诉我们，在原子领域中实在的佯谬性质与日常生活和经验是不相关的，量子幽灵以某种方式局限于原子的阴影似的微观世界之中。如果遵循量子理论的逻辑到达其最终结论，则大部分的物理宇宙似乎要消失于阴影似的幻想之中。爱因斯坦决不愿意接受这种逻辑结论。他反问：没有人注视时月亮是否实在？科学是一项不带个人色彩的客观的事业，将观察者作为物理实在的一个关键要素的思想看来与整个科学精神相矛盾。如果没有一个“外在的”具体世界供我们实验与测量，全部科学不就退化为追逐想象的一个游戏了吗？
量子理论革命性的特点，一开始就引起了关于它的正确性及其解释内容的激烈争论，在20世纪中这个争论一直进行着。自然法则从根本上将是否具有随机性？在我们的观察中是否存在实体？我们又是否受到了观察现象的影响？爱因斯坦率先从几个方面对量子理论提出质疑。他不承认自然法则是随机的。他不相信“上帝在和世界玩骰子”。在和玻尔的一系列著名的论战中，爱因斯坦又一次提出了批判，试图解释量子理论潜在的漏洞、错误和缺点。玻尔则巧妙地挫败了爱因斯坦的所有攻击。在1935年的一篇论文中，爱因斯坦提出了一个新证据：断言量子理论无法对自然界进行完全的描述。根据爱因斯坦的说法，一些无法被量子理论预见的物理现象应该能被观测到。这一挑战最终导致阿斯派特做了一系列著名的试验，准备用这些试验解决这一争论。阿斯派特的实验详尽地证明了量子理论的正确性。阿斯派特认为，量子理论能够预见但无法解释一些奇妙的现象，爱因斯坦断言这一点是不可能的。由此似乎信息传播比光速还快——很明显地违背了相对论和因果律。阿斯派特的实验结论仍有争议，但它们已促成了关于量子论的更多的奇谈怪论。
由玻尔和海森伯发展起来的理论和哥本哈根派的观点，尽管仍有争论，却逐渐在大多数物理学家中得到认可。按照该学派的观点，自然规律既非客观的，也非确定的。观察者无法描述独立于他们之外的现实。就象不确定律和测不准定律告诉我们的一样，观察者只能受到观察结果的影响。按自然规律得出的实验性预见总是统计性的而非确定性的。没有定规可寻，它仅仅是一种可能性的分布。
电子在不同的两个实验中表现出的波动性和粒子性这一表面上的矛盾是互补性原理的有关例子。量子理论能够正确地、连续地预测电子的波动性或粒子性，却不能同时对两者进行预测。按照玻尔的观点，这一矛盾是我们在对电子性质的不断探索中，在我们的大脑中产生的，它不是量子理论的一部分。而且，从自然界中只能得到量子理论提供的有限的、统计性的信息。量子理论是完备的：该理论未能告诉我们的东西或许是有趣的猜想或隐喻。但这些东西既不可观测，也不可测量，因而与科学无关。哥本哈根解释未能满足爱因斯坦关于一个完全客观的和决定性的物理定律应该是什么样的要求。几年后，他通过一系列思维推理实验向玻尔发起挑战。这些实验计划用来证明在量子理论中的预测中存在着不一致和错误。爱因斯坦用两难论或量子理论中的矛盾向玻尔发难。玻尔把问题稍微思考几天，然后就能提出解决办法。爱因斯坦难免过分地看重了一些东西或者忽略了某些效应。有一次，具有讽刺意味的是爱因斯坦忘记了考虑他自己提出的广义相对论。最终，爱因斯坦承认了量子理论的主观一致性，但他仍固执地坚持一个致命的批判：EPR思维实验。
1935年，爱因斯坦和两个同事普多斯基和罗森合作写了一篇驳斥量子理论完备性的论文，在物理学家和科学思想家中间广为流传。该论文以三个人姓氏的第一个字母合称EPR论文。他们假设有两个电子：电子1和电子2发生碰撞。由于它们带有相同的电荷，这种碰撞是弹性的，符合能量守恒定律，碰撞后两电子的动量和运动方向是相关的。因而，如果测出了电子1的位置，就能推知电子2的位置。假设在碰撞发生后精确测量电子1的位置，然后测量其动量。由于每次只测量了一个量，测量的结果应该是准确的。由于电子1、2之间的相关性，虽然我们没有测量电子2，即没有干扰过它，但仍然可以精确推测电子2的位置和动量。换句话说，我们经过一次测量得知了电子的位置和动量，而量子理论说这是不可能的，关于这一点量子理论没有预见到，爱因斯坦及其同事由此证明：量子理论是不完备的。
玻尔经过一段时间的思考，反驳说EPR实验非但没有证否量子理论，而且还证明了量子理论的互补性原理。他指出，测量仪器、电子1和电子2共同组成了一个系统，这是一个不可分割的整体。在测量电子1的位置的过程中会影响电子2的动量。因此对电子1的测量不能说明电子2的位置和动量，一次测量不能代替两次测量。这两个结果是互补的和不兼容的，我们既不能说系统中一个部分受到另一个部分的影响，也不能试图把两个不同实验结果互相联系起来。EPR实验假定了客观性和因果关系的存在而得出结论认为量子理论是不完备的，事实上这种客观性和因果性只是一种推想和臆测。
应用
量子理论中原子
尽管人们对量子理论的含义还不太清楚，但它在实践中获得的成就却是令人吃惊的。尤其在凝聚态物质——固态和液态的科学研究中更为明显。用量子理论来解释原子如何键合成分子，以此来理解物质的这些状态是再基本不过的。键合不仅是形成石墨和氮气等一般化合物的主要原因，而且也是形成许多金属和宝石的对称性晶体结构的主要原因。用量子理论来研究这些晶体，可以解释很多现象，例如为什么银是电和热的良导体却不透光，金刚石不是电和热的良导体却透光？而实际中更为重要的是量子理论很好地解释了处于导体和绝缘体之间的半导体的原理，为晶体管的出现奠定了基础。1948年，美国科学家约翰·巴丁、威廉·肖克利和瓦尔特·布拉顿根据量子理论发明了晶体管。它用很小的电流和功率就能有效地工作，而且可以将尺寸做得很小，从而迅速取代了笨重、昂贵的真空管，开创了全新的信息时代，这三位科学家也因此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。另外，量子理论在宏观上还应用于激光器的发明以及对超导电性的解释。
而且量子论在工业领域的应用前景也十分美好。科学家认为，量子力学理论将对电子工业产生重大影响，是物理学一个尚未开发而又具有广阔前景的新领域。时下半导体的微型化已接近极限，如果再小下去，微电子技术的理论就会显得无能为力，必须依靠量子结构理论。科学家们预言，利用量子力学理论，到2010年左右，人们能够使蚀刻在半导体上的线条的宽度小到十分之一微米（一微米等于千分之一毫米）以下。在这样窄小的电路中穿行的电信号将只是少数几个电子，增加一个或减少一个电子都会造成很大的差异。
美国威斯康星大学材料科学家马克斯·拉加利等人根据量子力学理论已制造了一些可容纳单个电子的被称为“量子点”的微小结构。这种量子点非常微小，一个针尖上可容纳几十亿个。研究人员用量子点制造可由单个电子的运动来控制开和关状态的晶体管。他们还通过对量子点进行巧妙的排列，使这种排列有可能用作微小而功率强大的计算机的心脏。此外，美国得克萨斯仪器公司、国际商用机器公司、惠普公司和摩托罗拉公司等都对这种由一个个分子组成的微小结构感兴趣，支持对这一领域的研究，并认为这一领域所取得的进展“必定会获得极大的回报”。
科学家对量子结构的研究的主要目标是要控制非常小的电子群的运动即通过“量子约束”以使其不与量子效应冲突。量子点就有可能实现这个目标。量子点由直径小于20纳米的一团团物质构成，或者约相当于60个硅原子排成一串的长度。利用这种量子约束的方法，人们有可能制造用于很多光盘播放机中的小而高效的激光器。这种量子阱激光器由两层其他材料夹着一层超薄的半导体材料制成。处在中间的电子被圈在一个量子平原上，电子只能在两维空间中移动。这样向电子注入能量就变得容易些，结果就是用较少的能量就能使电子产生较多的激光。
美国电话电报公司贝尔实验室的研究人员正在对量子进行更深入的研究。他们设法把量子平原减少一维，制造以量子线为基础的激光器，这种激光器可以大大减少通信线路上所需要的中继器。
美国南卡罗来纳大学詹姆斯·图尔斯的化学实验室用单个有机分子已制成量子结构。采用他们的方法可使人们将数以十亿计分子大小的装置挤在一平方毫米的面积上。一平方毫米可容纳的晶体管数可能是时下的个人计算机晶体管数的1万倍。纽约州立大学的物理学家康斯坦丁·利哈廖夫已用量子存储点制成了一个存储芯片模型。从理论上讲，他的设计可把1万亿比特的数据存储在大约与现今使用的芯片大小相当的芯片上，而容量是时下芯片储量的1·5万倍。有很多研究小组已制出了利哈廖夫模型装置所必需的单电子晶体管，有的还制成了在室温条件下工作的单电子晶体管。科学家们认为，电子工业在应用量子力学理论方面还有很多问题有待解决。因此大多数科学家正在努力研究全新的方法，而不是仿照时下的计算机设计量子装置。
争议
量子理论提供了精确一致地解决关于原子、激光、X射线、超导性以及其他无数事情的能力，几乎完全使古老的经典物理理论失去了光彩。但我们仍旧在日常的地面运动甚至空间运动中运用牛顿力学，在这个古老而熟悉的观点和这个新的革命性的观点之间一直存在着冲突。
宏观世界的定律保持着顽固的可验证性，而微观世界的定律具有随机性。我们对抛射物和彗星的动态描述具有明显的视觉特征，而对原子的描述不具有这种特征，桌子、凳子、房屋这样的世界似乎一直处于我们的观察之中，而电子和原子的实际的或物理性状态没有缓解这一矛盾。如果说这些解释起了些作用的话，那就是他们加大了这两个世界之间的差距。
对大多数物理学家来说，这一矛盾解决与否并无大碍，他们仅仅关心他们自己的工作，过分忽视了哲学上的争议和存在的冲突。毕竟，物理工作是精确地预测自然现象并使我们控制这些现象，哲学是不相关的东西。
广义相对论在大尺度空间、量子理论在微观世界中各自取得了辉煌的成功。基本粒子遵循量子论的法则，而宇宙学遵循广义相对论的法则，很难想象它们之间会出现大的分歧。很多科学家希望能将这两者结合起来，开创一门将从宏观到微观的所有物理学法则统一在一起的新理论。但迄今为止所有谋求统一的努力都遭到失败，原因是这两门20世纪物理学的重大学科完全矛盾。是否能找到一种比现有的这两种理论都好的新理论，使这两种理论都变得过时，正如它们流行之前的种种理论遇到的情况那样呢？
爱因斯坦不同意量子力学的观点如下：
爱因斯坦提出了今天被普遍接受的量子力学的基本特征，比如光既可以表现得像粒子又可以表现得像波动，而埃尔温·薛定谔在20世纪20年代建立的量子理论最常用的表述，也正是基于爱因斯坦关于波动物理的思考。爱因斯坦并不反对量子力学，他也不反对随机性。在1916年他证明，当原子发射光子的时候，发射时间和角度是随机的。这与爱因斯坦反对随机性的公众形象截然相反。
量子现象是随机的，但量子理论不是，薛定谔方程百分之百地遵从决定论。这个方程使用所谓的“波函数”来描述一个粒子或是系统，这体现了粒子的波动本质，也解释了粒子群可能表现出的波动形状。方程可以完全确定地预言波函数的每个时刻，在许多方面，薛定谔方程比牛顿运动定律还要确定，它不会造成混乱。
量子随机同物理学中其他所有类型的随机一样，是背后一些更加深刻过程的结果。爱因斯坦觉得阳光中飞舞的微尘暴露了不可见的空气分子的复杂运动，而放射性原子核发射光子的过程与此类似。那么量子力学可能也只是一个粗略的理论，可以解释大自然基础构件的总体行为，但分辨率还不足以解释其中的个体。一个更加深刻、更加完备的理论，或许就能完全解释这种运动。
非决定论的微观物理可以导致决定论的宏观物理。组成棒球的原子随机地运动，但棒球的飞行轨迹却完全可以预测，因为量子随机性被平均掉了。同样地，气体中的分子有复杂的运动，但气体的温度和其他的特征可由非常简单的定律描述。
在微观领域中，某些物理量的变化是以最小的单位跳跃式进行的，而不是连续的，这个最小的单位叫做量子。
量子：震动的微粒子的解说——量子论
量子一词来自拉丁语quantus，意为“多少”，代表“相当数量的某事”。在物理学中常用到量子的概念，量子是一个不可分割的基本个体。例如，一个“光的量子”是光的单位。而量子力学、量子光学等等更成为不同的专业研究领域。
其基本概念是所有的有形性质也许是"可量子化的"。"量子化" 指其物理量的数值会是一些特定的数值，而不是任意值。例如，
在(休息状态)的原子中，电子的能量是可量子化的。这能决定原子的稳定和一般问题。
在20世纪的前半期，出现了新的概念。许多物理学家将量子力学视为了解和描述自然的的基本理论。
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二、历史
量子物理是根据量子化的物理分支,在1900年以理论来建立。由于马克斯•普朗克(M. Planck)释所谓的黑体辐射。他的工作根本上合并了量子化用同样方式,到了今天它仍被使用。但他严重地冲击了古典物理学，需要了另外30年的研究,就是在量子论未确立之前。直到现在一些主张仍然不能被充分地了解。这里有很多需要学习的地方。包括科学的本质是怎么出现。
不光是普朗克对这个新概念感到困扰。当时德国物理社会中黑体研究成为焦点。在10月、11月和12月会议前夕，对他的科学同事报告公开他的新想法。就这样谨慎的实验学家(包括F. Paschen，O.R. Lummer，E. Pringsheim，H.L. Rubens，和F. Kurlbaum)和一位理论家迎接最巨大的科学革命。
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三、黑体辐射量子方程
当物体被加热,它以电磁波的形式散发红外线辐射。这是了解清楚和明白最明显的重要性。当物体变得炽热，红色波长部分开始变得可见。但是大多数热辐射仍然是红外线,除非直到物体变得像太阳的表面一样热。这是当时的实验室内不能够达成的而且只可以量度部分黑体光谱。
黑体辐射量子方程是量子力学的第一部分。在1900年10月7日面世。
能量 E、辐射频率 f 及温度 T 可以被写成：
E=hf/(e^(hf/κT)-1)
h 是普朗克常数及 k 是玻尔兹曼常数。两者都是物理学中的基础。基础能量的量子是 hf。可是这个单位正常之下不存在并不需要量子化。
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四、量子力学的诞生
从实验中普郎克推算到h 及 k的数值。因此他在1900年12月14日的德国物理学学会会议中第一次发表能量量子化数值、 Avogadro-Loschmidt数的数值、一个份子模(mole)的数值及电荷单位。这数值比以前更准确。这代表量子力学的诞生。
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五、量子力学诠释：霍金膜上的四维量子论
类似10维或11维的“弦论”＝振动的弦、震荡中的象弦一样的微小物体。
霍金膜上四维世界的量子理论的近代诠释（邓宇等，80年代）：
振动的量子（波动的量子＝量子鬼波）＝平动微粒子的振动；振动的微粒子；震荡中的象量子（粒子）一样的微小物体。
波动量子＝量子的波动＝微粒子的平动+振动
＝平动+振动
＝矢量和
量子鬼波的DENG'S诠释：微粒子（量子）平动与振动的矢量和
粒子波、量子波＝粒子的震荡（平动粒子的震动）
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六、“波”和“粒子”统一的数学关系
振动粒子的量子论诠释
物质的粒子性由能量 E 和动量 p 刻划，波的特征则由电磁波频率 ν 和其波长 λ 表达，这两组物理量的比例因子由普朗克常数 h（h=6.626*10^-34J•s） 所联系。
E=hv , E=mc^2 联立两式，得：m=hv/c^2(这是光子的相对论质量，由于光子无法静止，因此光子无静质量）而p=mc
则p=hv/c（p 为动量）
粒子波的一维平面波的偏微分波动方程,其一般形式为
∂ξ/∂x=(1/u)(∂ξ/∂t) 5
三维空间中传播的平面粒子波的经典波动方程为
∂ξ/∂x+∂ξ/∂y+∂ξ/∂z=(1/u)(∂ξ/∂t) 6
波动方程实际是经典粒子物理和波动物理的统一体,是运动学与波动学的统一.波动学是运动学的一部分,是运动学的延伸,即平动与振动的矢量和.对象不同,一个是连续介质,一个是定域的粒子,都可以具有波动性.（邓宇等，80年代）
经典波动方程1,1'式或4--6式中的u,隐含着不连续的量子关系E=hυ和德布罗意关系λ=h/p,由于u=υλ，故可在u=υλ的右边乘以含普朗克常数h的因子(h/h),就得到
u＝(υh)(λ/h)
=E/p
等关系u＝E/p，使经典物理与量子物理,连续与不连续(定域)之间产生了联系,得到统一.
2.粒子的波动与德布罗意物质波的统一
德布罗意关系λ=h/p,和量子关系E=hv(及薛定谔方程)这两个关系式实际表示的是波性与粒子性的统一关系, 而不是粒性与波性的两分.德布罗意物质波是粒波一体的真物质粒子,光子,电子等的波动.
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七、参考书籍
■M. Planck，A Survey of Physical Theory，transl. by R. Jones and D.H. Williams，Methuen & Co.，Ltd.，London 1925 (Dover editions 1960 and 1993) including the Nobel lecture.
■J. Mehra and H. Rechenberg，The Historical Development of Quantum Theory，Vol.1，Part 1，Springer-Verlag New York Inc.，New York 1982.
■Lucretius，"On the Nature of the Universe"，transl. from the Latin by R.E. Latham，Penguin Books Ltd.，Harmondsworth 1951. There are，of course，many translations，and the translation's title varies. Some put emphasis on how things work，others on what things are found in nature.
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八、参看
量子力学
量子光学
量子信息
量子状态
量子数
量子场论
量子计算机
量子密码学
量子演算
磁束量子
量子化
次原子粒子
基本粒子
量子引力论
扩展阅读：
1.M. Planck，A Survey of Physical Theory，transl. by R. Jones and D.H. Williams，Methuen & Co.，Ltd.，London 1925 (Dover editions 1960 and 1993) including the Nobel lecture.
2.J. Mehra and H. Rechenberg，The Historical Development of Quantum Theory，Vol.1，Part 1，Springer-Verlag New York Inc.，New York 1982.
3.Lucretius，"On the Nature of the Universe"，transl. from the Latin by R.E. Latham，Penguin Books Ltd.，Harmondsworth 1951. There are，of course，many translations，and the translation's title varies. Some put emphasis on how things work，others on what things are found in nature.
4.physics
量子态隐形传输
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量子态隐形传输
中国实现世界上最远距离的量子态隐形传输
多粒子量子纠缠态隐形传输与三旋理论
证实穿越大气层可行
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量子态隐形传输
量子态隐形传输是一种全新通信方式,它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息,是未来量子通信网络的核心要素。利用量子纠缠技术,需要传输的量子态如同科幻小说中描绘的“超时空穿越”,在一个地方神秘消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方瞬间神秘出现。
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中国实现世界上最远距离的量子态隐形传输
中国实现世界上最远距离的量子态隐形传输 （2010年06月04日 08:53 来源：光明日报）
量子态隐形传输穿越大气层证实为全球化量子通信网络奠定基础。
由中国科大和清华大学组成的联合小组成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输,16公里的传输距离比原世界纪录提高了20多倍。实验结果首次证实了在自由空间进行远距离量子态隐形传输的可行性,为全球化量子通信网络最终实现奠定了重要基础。
据联合小组研究成员彭承志教授介绍,量子态隐形传输是一种全新通信方式,它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息,是未来量子通信网络的核心要素。利用量子纠缠技术,需要传输的量子态如同科幻小说中描绘的“超时空穿越”,在一个地方神秘消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方瞬间神秘出现。这一奇特的现象引起了学术界广泛兴趣。1997年,奥地利蔡林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证。2004年,这个小组利用多瑙河底的光纤信道,成功地将量子态隐形传输距离提高到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰,量子态隐形传输的距离难以大幅度提高。
2004年,中国科大潘建伟、彭承志等研究人员开始探索在自由空间实现更远距离的量子通信。在自由空间,环境对光量子态的干扰效应极小,而光子一旦穿透大气层进入外层空间,其损耗更是接近于零,这使得自由空间信道比光纤信道在远距离传输方面更具优势。这个小组2005年在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠分发世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。2007年开始,中国科大——清华大学联合小组在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道,并取得了一系列关键技术突破,最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输,证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性。
联合小组在自由空间量子通信领域的一系列工作,得到了科技部重大科学研究计划、中科院知识创新工程重大项目和国家自然科学基金项目等支持,并引起了国际学术界的广泛关注,6月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然•光子学》以封面论文形式发表了这一研究成果。英国的《新科学家》、美国的《今日物理》、美国物理学会新闻网站均及时报道了这个研究成果。
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多粒子量子纠缠态隐形传输与三旋理论
王德奎（绵阳日报社，四川绵阳，621000 ）
摘要：环量子的三种自旋编码和对DNA双螺旋结构的孤立波模拟，奠定了量子信息学及其量子计算机新的理论基础；而原子间量子态及多粒子纠缠态隐形传输的探索，会更多拓展三旋理论的这一基础。
关键词：量子计算机、量子信息学、量子纠缠、隐形传输、三旋理论
一、潘建伟教授的多粒子态隐形传输
量子信息学告诉人们：量子态是指原子、中子、质子等粒子的状态，它可表征粒子的能量、旋转、运动、磁场以及其他的物理特性。1993年，美国物理学家贝尼特等人提出了“量子态隐形传输”的方案,即位将原粒子物理特性的信息发向远处的另一个粒子，该粒子在接收到这些信息后，会成为原粒子的复制品。而在此过程中，传输的是原粒子的量子态，而不是原粒子本身。传输结束后，原粒子已经不具备原来的量子态，而有了新的量子态。因为制造量子计算机需要量子态的隐形传输，因此，实现原子间量子态隐形传输是奠定研制量子计算机的基础之一。2004年6月，美国和奥地利的物理学家在没有任何物理连接的情况下，实现了原子间的量子态隐形传输。与此同时，我国潘建伟教授等科学家已实现了五粒子纠缠态以及终端开放的量子态隐形传输，他们的实验方法在量子计算和网络化的量子通信中也有重要的应用。
美国国家标准与技术研究所的科学家是利用激光技术，对三个带有正电荷的铍原子的量子态进行操作。首先，他们利用量子纠缠技术使其中两个原子的量子态完全一致。接着，他们准确地测量了这两个原子的量子态，然后通过激光将它们的量子态复制到8微米外的另一个原子上。整个过程由计算机控制，仅耗时4毫秒，传输成功率达到78%。而另一个研究小组的奥地利因斯布鲁克大学的科学家则采用钙原子，同样实现了量子态隐形传输，成功率为75%。其基本原理也是利用第三个原子为辅助，用激光将一个原子的量子态传递给另一个原子。但两项实验在具体方法上有所不同，奥地利小组使两个原子距离相对较远，以便用激光单独地改变一个原子的状态；美国小组则将原子冷却以保持操作的可靠性。
为了进行远距离的量子密码通信或量子态隐形传输，事先需要让距离遥远的两地共同拥有最大的“量子纠缠态”。所谓“量子纠缠”是指不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象，即两个粒子之间不论相距多远，从根本上讲它们还是相互联系的。这是一种“神奇的力量”，可成为具有超级计算能力的量子计算机和“万无一失”的量子保密系统的基础。但由于在量子通信通道中存在种种不可避免的环境噪声，“量子纠缠态”的品质会随着传送距离的增加而逐渐降低，也就是说，两个粒子之间的纠缠会因传播距离的增大而不断退化，其纠缠数量也会随之越来越少。这是导致量子通信手段目前只能停留在短距离应用上的根本原因。
量子计算机处理量子信息的基本信息单位是量子比特，但现有技术还不能使量子比特快速移动。美国国家标准与技术研究所的原子间量子态隐形传输技术，可以提升量子比特的移动速度，加快逻辑运算的速度。这以前科学家曾经成功地对光子进行量子态隐形传输，而光子主要用于量子通信，原子在量子计算中更有潜力。但多粒子纠缠态的制备与操纵，是近年来国际上蓬勃发展的量子物理与量子信息研究领域长盛不衰的研究热点。此前，三粒子和四粒子之间的量子纠缠已在实验上得到了实现，并被用来证明量子力学的非定域性，即一种被爱因斯坦称为“遥远地点间幽灵般的相互作用”。但是，在现实世界中，如何把量子纠缠应用到量子计算和量子通信中还面临着巨大挑战。为确保量子计算的可靠性，就必须掌握量子纠错这一最关键的技术。但要实现普遍适用的量子纠错，仅仅靠三粒子和四粒子之间的纠缠已无法满足需要，须得同时把五个粒子纠缠起来，并加以相干控制才行。这在技术上难度极大，因此五粒子纠缠态的制备与操纵一直是国际上长期以来公认的高难课题。潘建伟教授等科学家利用五光子纠缠源，在实验上还演示了一种新的“终端开放”的量子态隐形传输，即在不确定选择某个粒子作为量子态输出终端的情况下，先将一个粒子的量子态隐形传输到另外多个纠缠着的粒子上，尽管这些粒子分别在相距遥远的不同地点，但只要通过适当操作，仍可将输入的量子态在任意选定的一个粒子上读出。这种新颖的量子隐形传输态正是量子纠错和分布式量子信息处理中必须掌握的一项关键技术。这一研究成果被称之为远距离量子通信开辟了研究的新方向。
二、与爱因斯坦纠缠的量子力学非定域性
潘建伟1970年3月出生在浙江东阳，1987年考入中国科技大学。2003年，潘建伟由于在量子态隐形传输以及量子纠缠态纯化实验实现上的重要贡献，他被奥地利科学院授予ErichSchmid奖，此奖为奥地利科学院授予40岁以下的青年物理学家的最高奖，两年一度，每次一人。在最近的7年时间里，潘建伟做出5个首次：首次成功地实现了量子态隐形传送以及纠缠态交换；首次成功实现三光子、四光子纠缠态，并利用多粒子纠缠态首次成功地实现了GHZ定理的实验验证；首次成功地实现了自由量子态的隐形传送；首次实现纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验；首次取得五粒子纠缠态的制备与操纵。粒子中出现的“纠缠”现象，被爱因斯坦称之为“遥远地点间幽灵般的相互作用”，潘建伟教授和爱因斯坦的这一未解之谜“纠缠”，还须提到我国对粒子“纠缠”的这一有关的三旋理论科学研究。
南京大学博士生导师沈骊天教授说，三旋是决定物性的内禀运动，三旋理论不仅仅是在阐释西方学者所主张的超弦理论，它在一定程度上还超越了西方弦理论家的视野，显示出其独特的创新思维——它将闭合的弦(弦圈、环量子)称为类圈体(《三旋理论初探》4页)。一维的弦圈，除了超弦理论所说的各种外在运动；还应有三旋理论所说的体旋——绕圈面内轴线的旋转，面旋——绕垂直于圈面的圈中心轴线的旋转，线旋——绕圈体内环状中心线的旋转(《三旋理论初探》5-6页、32页、105~107页、356页)这三种“内禀”运动。弦圈的“外在运动”决定物理学所观察的粒子的“运动特性”，弦圈的“内禀运动”(三旋运动)则决定粒子的“物性”，或者说，集中地表现在“圈态密码”观念的提出：三旋理论指出三旋的体旋有二种状态(正、反)，面旋有二种状态(正、反)，线旋中的平凡线旋有二种状态(正、反)，线旋中的非平凡线旋有四种状态(左斜：正、反，右斜；正、反)；按单动(只做一种旋动)、双动(同时做两种旋动)、三动(同时做三种旋动)可以有62种不同的三旋状态组合(《三旋理论初探》11页、323页、392页)。而基本粒子的不同种类(基本粒子连同赫格斯粒子在内也恰恰有62种)及其各自的性质，则都由不同的三旋状态组合决定；它们还分别对应于一定的流形的固有拓扑性质(《三旋理论初探》35~47页)。三旋理论将表示各种基本粒子的“三旋状态组合”称为“圈态密码”(圈态指弦圈的三旋状态)。圈态密码以弦圈的三旋状态组合表示基本粒字子，较之人类对物质的认识史上的化学以分子式表示物质结构，原子物理学以质子、中子、电子的组合表示上百种原子，夸克理论以夸克组合表示数百种强子，堪称又一座崭新的里程碑；破译“圈态密码”不仅意味着找到形成各种粒子的圈态；而且还应当意味着建立起三旋状态和现有物理学所认识的各种基本粒子属性的联系。
其实，有了三旋模型这种隐秩序，反过来对于爱因斯坦、波多尔斯基、罗森发现的量子EPR效应也好理解。
众所周知，潘建伟进行远距离的量子密码通信科普演示：五颗骰子在电脑上滚来滚去，生动地表现了五粒子相互“纠缠”中的情景；但正如爱因斯坦“上帝不会投骰子”之所言，五粒子其实不是五骰子，也绝不是靠投骰子、碰运气，而是来自量子态叠加原理及其应用，其研究工作是和爱因斯坦、波多尔斯基、罗森发现的量子EPR效应有纠缠的，即跟爱因斯坦迷惑一辈子的量子力学非定域性有纠缠。但三旋模型却能为前人所不了解的量子力学非定域性特性提供解答的理论帮助，即量子力学非定域性与三旋的关系，道理类似指南针在地球各地除两极外，都能定向相同指向南方，是因为地球磁场对指南针的作用引起的，因此也说明如航天飞机或人造卫星离开地球，或在受磁性材料干扰的地方，用指南针定向是不适用的；但科学家们却找到了一种陀螺罗盘，不需靠磁力线的作用来定向，而是利用陀螺本身的多层自旋来定向的；这种自旋定向的原理，揭示了自然界中自旋调制耦合功能的EPR效应普遍存在。然而在宏观物体身上是很难做到。非粒子量子圈态线旋客体，因为三旋是它的自然属性。因此是一种天然的超级陀螺罗盘。在EPR实验中之所以曾经耦合过去的光子，在分开以后还会出现整体效应，这正是因为象陀螺罗盘在出发之前经调制一样，耦合过的光子，它们象经过调制的陀螺一样，离开地面的陀螺罗盘的方位测量，是跟它调制配对时的陀螺罗盘的方向测量一致的，因此在EPR测量中，两者的量子效应是一样的。所以说，三旋理论是多粒子量子纠缠态隐形传输理论入门的基础理论之一。
曾有人把量子缠结看成是超光速，但这不是严格证明。一是，三旋理论证明，任何量子本身就是一个类似超级陀螺仪的三旋陀螺，量子之间进行缠结，类似陀螺仪使用前进行的测量与标准之间作的调整校对，所以陀螺仪使用中间产生的任何测量信息，使用者之间都是明确的，即是“超光速”的。其二，超光速测量不能排除时间克隆。量子概率克隆应用于量子信息提取和量子态识别，是量子隐形传态的一个主要途径，类似电子传真、电子邮件；基因复制出一个古代的“冰人”，并不等于已经超光速地追上了远古的时间。正是从量子信息学的基础出发，有学者证明能够用3个基本部件构建出通用量子计算机：缠结粒子、量子移物器和每次处理单个量子比特的门。例如从移物器制造两量子比特的方法是采用经仔细修饰的缠结对把两个量子比特从门的输入传送到门的输出，而修饰缠结对的方法恰好是让门的输出接收适当处理的量子比特。这样，对两个未知的量子比特执行量子逻辑的任务就简化为准备预先定义的特殊缠结对并进行传输的任务。显然，使移物成功率达到100%所需的完整贝尔态测量本身就是一种两量子比特的处理过程。由于各个粒子的状态彼此紧密相关，一旦某个粒子的状态因受到测量而确定下来，其它粒子的状态也随之确定。但区区几个量子比特不足以实现任何稍微复杂的运算功能，要制造出实用的量子计算机，就必须掌握大量粒子实现“缠结”状态的技术。
但过去的量子态隐形传输实验，在确定传输量子态成功的同时，必须以破坏被传输的量子态为代价，这就使其不可能在量子通讯和量子计算中有进一步的应用。潘建伟教授及其同事在研究中发现，适当降低被传输量子态的亮度可在不破坏被传输态的条件下成功传输量子态。这一研究成果，与高精度的纠缠态纯化一起，可从根本上解决目前在远距离量子通讯中由“退相干效应”带来的困难，并将极大地推动可容错量子计算的实验研究。 如今潘建伟开展的一项实验表明，不管两个粒子之间的距离有多远，哪怕其间全是“自由空间”，二者也有根本的互相联系，其中一个粒子状态的变化都会影响到第二个粒子的状态。而且，两个相距遥远的光子即使在没有光纤联结和存在噪声干扰的情况下，也可以纠缠在一起。而在他们开展以上实验之前，两个粒子间的量子纠缠要么发生在相对很短的距离，要么将两个粒子通过光纤联结起来。然而，也许今后能解开爱因斯坦之谜密钥的三旋理论，更会形成超级量子计算机和“万无一失”的密码系统的基础而做出贡献。
三、量子计算机原理与量子信息学基础
目前最快的超级计算机，对一个400位的阿拉伯数字进行因子分解，要耗时上百亿年，而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机，只需大约一分钟。因此，人们一旦拥有了一台量子计算机，那么目前的密码系统将毫无保密性可言！潘建伟教授的量子纠缠经典信息处理的最基本单元是比特，即二进制数0或1；而一个按照一定数学规则给出的随机二进制数据串构成一个密钥，经典通信中最难解决的问题是密钥分配问题。如果密钥分配不是绝对保密，经典密码通信也就不可能绝对保密。但潘建伟等科学家最近开展的研究发现，基于量子力学线性叠加原理和不可克隆定理的量子密钥分配，却可以从根本上解决密钥分配这一世界性难题。虽然目前美国马萨诸塞州技术研究所与洛斯阿拉莫斯国家实验室，研制量子计算机运算器已成事实，但由于没有三旋理论的指导，西方量子计算机原理中存在有纰漏。例如Neil Gershenfeld等人阐释量子计算机能同时处于多个状态且能同时作用于它的所有不同状态的量子陀螺原理图时，对量子位不动的几种陀螺旋转，就分辨不清，明显的错误是把陀螺绕Y轴的体旋称为“进动”，这是不确切的。其原因是体旋实际比面旋复杂。而这一点却让量子计算机原理研究的专家所忽视，这类量子计算机原理中的纰漏，与量子计算机以量子态作为信息的载体有关。
因为，人们已提出用光子、电子、原子、离子、量子点、核自旋以及超导体中的库柏对等物理系统作为量子比特的方案，这使量子行为与经典物理的联系更紧密，但它也揭示出经典物理概念天生的不足，从而，非引入三旋概念莫属。即Neil Gershenfeld等人阐释量子计算机能同时处于多个状态且能同时作用于它的所有不同状态的量子陀螺原理图，也类似陀螺或廻转仪，它们的进动和公转，是旋转概念中不好区分的一个问题，把自旋的定义转换成截面的定义来看待三旋，就很明白了。
（1）面旋：用一系列平行的截面来切一个作自旋的物体，如果能在每个截面内找到一个且仅有一个不动的转点的旋转，称为面旋。如果由这些不动点组成的转轴与截面正交，这些截面就称为面旋正面，这条转轴就称为面旋轴，也称面旋Z轴。
（2）体旋：物体作面旋，面旋轴只有一条，而面旋正面却有很多个，并且物体还可以绕其中一个面旋正面内的一条轴作旋转，这称为体旋。而这个面旋正面就称为体旋面，这根转轴称为体旋轴。但过这个面旋正面不动点的体旋轴还可以有许多条，因此在体旋面内选定一条作体旋X轴，那么体旋面内过不动
量子力学（Quantum Mechanics），它是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。
量子力学是描写微观物质的一个物理学理论，与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱，许多物理学理论和科学如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其它相关的学科都是以量子力学为基础所进行的。
量子力学是非常小的领域——亚原子粒子中的主要物理学理论[1] 。该理论形成于20世纪早期，彻底改变了科学家对物质组成成分的观点。在量子世界，粒子并非是台球，而是嗡嗡跳跃的概率云，它们并不只存在一个位置，也不会从点A通过一条单一路径到达点B[1] 。根据量子理论，粒子的行为常常像波，用于描述粒子行为的“波函数”预测一个粒子可能的特性，诸如它的位置和速度，而非实际的特性[1] 。物理学中有些怪异的想法，诸如纠缠和不确定性原理，就源于量子力学。
但在量子力学中，体系的状态有两种变化，一种是体系的状态按运动方程演进，这是可逆的变化；另一种是测量改变体系状态的不可逆变化。因此，量子力学对决定状态的物理量不能给出确定的预言，只能给出物理量取值的几率。在这个意义上，经典物理学因果律在微观领域失效了。
据悉，一些物理学家和哲学家断言量子力学摈弃因果性，而另一些物理学家和哲学家则认为量子力学因果律反映的是一种新型的因果性——几率因果性。量子力学中代表量子态的波函数是在整个空间定义的，态的任何变化是同时在整个空间实现的。
答：该学派提出的量子跃迁语言和不确定性原理(即测不准关系)及其在哲学意义上的扩展(互补原理)在物理学界得到普遍的采用．因此，哥本哈根学派对量子力学的物理解释以及哲学观点，理所当然是诸多学派的主体，是正统的、主要的解释．]量子力学的随机解释 随机解释认为，通过研究薛定谔方程与费曼积分、马尔科夫过程...
答：4. 量子意识 - 量子力学的现象在正文之前我们先来明确或者说体会几个基本概念: 量子力学的基础是,从不确定的状态变成确定的状态,一定要有意识参与, 意识是量子力学的基础。 人类的主观意识是客观物质世界的基础,量子力学是我们客观物质世界最基础的理论。 1、状态叠加与坍缩 - 状态叠加原理。 一般观点认为:客观...
答：因此,光子是光的最小可能单元,而一次量子性跳变的根本特征是它代表着系统中的最小变化,并且这种变化是无规则的。 量子理论又称为量子力学或量子物理学,是一组在极小尺度上主要应用于原子或更小实体的微粒定律。量子理论的核心是测不准原理和波粒二象性概念的结合。量子世界的每个实体都同时具有我们习惯视为截然不...
答：该学派提出的量子跃迁语言和不确定性原理(即测不准关系)及其在哲学意义上的扩展(互补原理)在物理学界得到普遍的采用．因此，哥本哈根学派对量子力学的物理解释以及哲学观点，理所当然是诸多学派的主体，是正统的、主要的解释．]量子力学的随机解释 随机解释认为，通过研究薛定谔方程与费曼积分、马尔科夫过程...
答：19世纪末，人们发现旧有的经典理论无法解释微观系统，于是经由物理学家的努力，在20世纪初创立量子力学，解释了这些现象。量子力学从根本上改变人类对物质结构及其相互作用的理解。除了广义相对论描写的引力以外，迄今所有基本相互作用均可以在量子力学的框架内描述。
答：今天，大多数物理学家接受量子力学的描述，认为测量过程的不可预测性并非技术限制，而是其内在特性。不同诠释如玻姆的隐变量理论、艾弗雷特的多世界诠释等，提供了对量子现象的其他理解，尽管它们在某些情况下预言与哥本哈根诠释一致，但并未解决所有争议。实验如爱因斯坦-波多斯基-罗森悖论和双缝实验，以及哲学...
答：由于旧量子论不能令人满意,人们在寻找微观领域的规律时,从两条不同的道路建立了量子力学。 1925年,海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识,抛弃了不可观察的轨道概念,并从可观察的辐射频率及其强度出发,和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学;1926年,薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识,找到了微观体系的...
答：量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体,它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的。关于远隔粒子关联实验的结论,也定量地支持了量子态不可分离性的观点。 其他量子物理学分支学科 量子力学、核物理学、高能物理学、原子物理学、分子物理学 其它物理学分支学科 物理学概览、力学、热学、光学、声学、...
答：展开全部 量子力学的基本内容 量子力学的基本原理包括量子态的概念,运动方程、理论概念和观测物理量之间的对应规则和物理原理。 在量子力学中,一个物理体系的状态由态函数表示,态函数的任意线性叠加仍然代表体系的一种可能状态。状态随时间的变化遵循一个线性微分方程,该方程预言体系的行为,物理量由满足一定条件的、...
答：展开全部 量子力学(Quantum Mechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科,它主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论,它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一,而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。有人引...
