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量子信息技术-第一章讲述
第一章 EPR佯谬与量子纠缠
著名物理学家费曼曾指出:量子力学的精妙之处在于引入概率波幅(即量子态)的概念。
一 薛定谔猫与EPR佯谬
关于量子力学理论是否完备的EPR佯谬长期激烈争论的焦点也在这个量子态上。
薛定谔于1932年提出的所谓“薛定谔猫”佯谬和爱因斯坦等人在1935年提出的EPR佯谬。
1.薛定谔猫
容器里的猫是死还是活?既然放射性粒子是处于0和1的叠加态,那么这只猫理应处于死和活的叠加态。这只在特定状态下的半死半活的猫就是著名的“薛定谔猫”。
薛定谔想要阐述的物理问题是:微观世界遵从量子
叠加原理;那么,如果自然界确实按照量子力学运行的
话,宏观世界也应遵从量子叠加原理。薛定谔的实验装置
巧妙地把微观放射源与宏观的猫联系起来,最终诞生出这只死活不定的薛定谔猫,结论似乎否定了宏观世界存在可以区分的量子态的叠加态。然而,随着量子光学的发展,人们研究各种制备宏观量子叠加态的方案,1997年科学家终于在离子阱中观察到这种“薛定谔”猫态,即一个被观察的粒子在同一时间里处于两个不同的状态。
薛定谔的问题还可以进一步扩展为:宏观世界中是否存在量子效应?事实上,大量实验事实都肯定地回答了这个问题。最近几年引起广泛兴趣的玻色爱因斯坦凝聚的实验研究
进展更有力地证实了宏观量子效应。
2.EPR佯谬
“EPR佯谬”在近60多年的量子力学发展中起着重要的推动作用。这个实验是爱因斯坦等人与量子力学创始人之一的玻尔就有关量子力学是否自洽、是否完备的学术争论而引发的一系列假想实验中的一个著名的思想实验。
1935年由爱因斯坦与波多尔斯基(B. Podolsky)、罗森(N. Rosen)联名发表一篇论文,以思想实验结论的方式对量子力学的完备性提出了质疑。
“EPR佯谬”思想实验
爱因斯坦(A.Einstein )
玻尔
波多尔斯基
(B. Podolsky)
罗森
(N. Rosen)
定域实在论:
1)引入了物理实在的假定:如果一个系统,在不对其干扰的情况下能够确定性地预言某一物理量的值,就说这个物理量是客观实在,它对应一个物理实在的元素。
2)关于完备的物理理论的假定:一个完备的物理理论必定包含对所有的物理实在的描述。
3)关于定域性的假定:对于两个离得非常远的系统,对其中一个系统的测量不能及时影响到另外的系统,即不存在超距的相互作用。
EPR佯谬的Bohm表述:
这场争论的本质——真实世界是遵从爱因斯坦的局域实在论,还是玻尔的非局域理论?
判定这场战争的依据——基于爱因斯坦的隐参数理论推到得到的贝尔不等式!
而按照量子力学的观点,由于B粒子的三个自旋算符彼此不对易,它们本来客观上就是不能同时具有确定值的。
二 Bell不等式
1.最初的Bell不等式
这就是根据隐变量理论得出的Bell不等式!
这很容易破坏。比如,取三矢量共面,夹角为:
量子力学的结果
2.CHSH不等式
CHSH不等式在推广Bell不等式中,考虑到这类关联测量实验中的一些失误或误差因素。比如,对A(B)测量中仪器设备有时可能失效,这时按实验规定,仪器装置给出对A(B)的测量值为零;再比如,制备出的EPR对可能不纯,因此同时沿同一方向测量A和B的自旋关联并不严格相反等等。
这样
关联函数
注意:
写成对称形式
量子力学的结果
令
那么
而
所以
例如
与
矛盾!
3.无不等式的Bell理论-GHZ定理
上面都是借助于对各种不等式的破坏来揭示量子态的空间非定域性质。由于实验中测量的关联函数均为态中的平均值,因此,关于破坏与否的论断都是以统计方式作出的。事实上,也可以找到无不等式的Bell定理,使得人们可以用一种确定的、非统计的方式来揭示量子态的这种非定域性。
对于三粒子GHZ态,存在一组相互对易的可观测量,对于这组力学量的测量,量子力学将以确定的、非统计的方式给出与经典定域实在论不相容的结果。
三粒子GHZ态
对GHZ态有
按照定域实在论观点,客观上应该存在一组数满足
量子纠缠状态(entangled states):指的是两个或多个量子系统之间的非定域、非经典的关联状态,是量子系统内各子系统或各自由度之间关联的力学属性。量子纠缠状态是微观世界物质间的特有现象,因此也是量子信息理论中特有的概念。量子系统能够纠缠是实现信息高速的不可破译通信的理论基础。
三 量子纠缠状态
一) 两体系统量子态分类
1.可分离态与纠缠态
可分离态:是这样一些纯态和混态,它们的密度矩阵可以写成一些未关联态之和
不可分离态:又称作纠缠态(包括纠缠纯态和纠缠混态),是所有
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