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揭秘量子力学与量子态

2016.07.18-科教-来源:施郁博客

量子信息指利用量子力学的基本原理进行信息处理,在最近一些

年,得到了很多发展。量子信息包括量子通信、量子计算,等等。量

子通信包括量子密码、量子隐形传态,等等。量子隐形传态和量子计

算都基于量子纠缠。量子纠缠是量子力学中的一个基本概念。本文对

量子力学、量子态、量子密码、量子纠缠和量子隐形传态作简要通俗

而又力求准确的介绍。

1.量子力学与量子态

为了解释什么是量子力学,我们从经典物理说起。

经典物理包括以牛顿三大定律为核心的牛顿力学(或称经典力

学),以及以麦克斯韦方程组为核心的经典电动力学(或称电磁学)。

对于速度接近光速,以及强引力场情况,还要考虑狭义及广义相对论,

但是相对于量子力学而言,它们仍然属于经典物理的范畴。

在经典物理中,每个物理量,比如位置、动量、角动量、电场强

度、电流,等等,在每个时刻都有明确的取值,都是一个客观实在。

而它们随时间变化的情况就是动力学,由牛顿力学及经典电动力学的

基本定律决定。只要知道某个时刻的物理量的值,就可以从动力学得

到其它任意时刻的取值。因此本质上经典物理是决定论的。

经典物理里也有几率,或称概率。但这是一种粗粒化描述。在不

了解或者无法控制细节时,考虑各种可能性,从而得到几率分布。比

如掷骰子。骰子的运动其实是一个决定论的过程,没有本质上的随机

性。如果了解它的力学细节,比如质量分布、初始位置、方位、速度、

整个下落过程中的受力情况等等,其实是可以预言最后哪一面朝上的。

当然,在实际中一般做不到这一点。而对于各种细节情况作平均,就

可以预言,如果投掷N次,其中每一面朝上的次数大约N/6次。也就

是说,每一面朝上的几率大概是1/6。

经常有这样的情况,即细节描述不但不可能,而且没有必要,而

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几率描述更抓住问题的本质,比如一团气体在给定温度下,各种微观

状态有一个几率分布,由此可以得到给定温度下的宏观性质,比如平

均总能量、压强等等。这就是统计物理。基于经典力学的经典统计物

理中的几率抓住了问题的本质,但这种几率和骰子类似,不是实质性

的,也就是说,微观细节仍然是服从经典物理的决定论过程。

那么,什么样的几率是实质性的,也就是说背后没有决定论的过

程?答案就是量子力学中的几率。量子力学的中心概念是量子态,而

根据量子态,可以计算出各种几率分布。下面我们将了解到,量子态

比几率分布的涵义还要多。

量子态不是一个物理量,而是一个描述。由此决定各相关物理量

被测量后的各种取值的几率,从而可以计算出每个相关物理量的期望

值,或称平均值。而一旦作了某个物理量的测量,就得到这些可能值

中的一个。而量子态也相应地更新为一个新的量子态,在这个量子态

上,刚测得的物理量取值的几率为1。

举一个例子。光有个性质叫偏振,代表了电场振动方向,它总是

位于与传播方向垂直的平面上。如果偏振方向沿着这个平面上的一个

特定方向,这种光就是线偏振光。如果偏振方向在这个平面上旋转,

这种光就是圆偏振光。偏振性质不同的光可以混合成非偏振或者部分

偏振光。而非偏振的自然光透过偏振片,可以产生偏振方向沿着透光

轴的线偏振光。如果让线偏振光垂直入射一个偏振片,它透过的强度

是原来强度的cos2θ,其中θ是光入射前的线偏振方向与偏振片透光轴

方向的夹

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