量子江湖(量子江湖3老一寺)

一、纠缠态是对微观粒子全同性原理的误解

近十来年,因潘建伟搞的量子通讯,量子力学成了公众话题。电脑、手机、公共网络上,到处都在谈论量子纠缠和隐形态传输。科学问题被引伸进社会和宗教领域,量子力学被弄成一个神秘兮兮的东西,变成了神仙话题。崂山道士的现代版被引入科学,隔空传物的鬼话披上量子力学的外衣卷土重来,导致伪科学谬论到处流行。

其中最关键的是量子纠缠概念,它实际上是对微观粒子全同性原理的误解。量子纠缠在物理学上本来是一个贬义词,是爱因斯坦用来形容量子力学哥本哈根解释的荒谬性的。它无异于鬼魅作用,被认为巫术和传心术之类的东西。但现在却被洗白,居然被某些人看成自然界的基本原理,冠冕堂皇地进入物理学,到处招摇,真是要多可笑就多可笑。

相反,微观粒子的全同性原理好像被物理学忘记了,至少在媒体大众的视野中完全不存在。这是一场反客为主的游戏,真是是非颠倒了。因此本人希望在此用通俗的语言,把“量子纠缠”概念的由来说清楚,还科学一真面目。

一般认为量子力学有五条基本原理,其中一条是波函数的叠加原理,另外一条是微观粒子的全同对称性原理。量子力学的哥本哈根解释对这两条原理的错误理解,不但歪曲了量子力学的本来面目,还误导量子信息技术的发展,对科学造成灾难性的影响。

波函数叠加原理只涉及单个粒子态,现在被用来做量子计算机。在我的头条文章《真正的量子计算机能够做得出来吗?》中,已经解释了波函数叠加原理的本质。本文以下说说全同对称性原理是怎么回事。

二、微观粒子全同对称性原理

我们知道,宏观物体总是可以区分的。比如两个玻璃球,不论多圆多光滑,用显微镜观察,总可以看出微观结构上的差别。两个双胞胎兄弟,即使再相像,也是可以区分的。

然而同类的微观粒子是无法区分的,例如我们无法区分内秉状态完全相同的两个电子和两光子。所谓微观全同粒子指粒子的质量、电荷、自旋等内秉量子数完全一样的粒子。粒子的能量,动量和角动量等可变的物理量不是内秉性质,可以不一样。

一般人可能不太了解,量子力学其实是一种统计力学。它不描述单个微观粒子,而是描述大量的微观粒子。实验表明,对量子系统进行统计计算时,必须考虑到全同对称性,这种对称性体现在波函数对粒子坐标的交换对称性。

用通俗的语言来说,假设有两个电子,电子1位于A地(北京),电子2位于B地(上海)。按照全同对称性原理,我们也可以认为电子1位于B地,电子2位于A地。对微观粒子来说,这两种情况是等价的,如图1所示。

图2. 微观粒子交换的等价性

如果是宏观粒子,就不具有这种交换对称性,情况如图2所示。比如两个双胞胎兄弟,老大在北京,老二在上海。我们不可能又说老大在上海,老二在北京。

图2. 宏观粒子交换的不等价性

因此全同性原理不意味着我们在瞬间可以把电子1从北京变到上海,把电子2从上海变到北京。事实上,把一个电子从北京运到上海,是需要通过另外的物理过程来实现的,不是通过全同性原理就能实现的。更绝对不可能出现潘建伟说的,量子力学可以把一个人从北京变到上海这样的事。

需要说明的是,这种全同对称性只是做量子统计计算时才需要的。它意味着计算量子几率时需要算两次,而经典统计只要算一次。但也仅此而已,它仅是一种统计方法,不应当对它做过多的解读。

三、正统的量子力学没有纠缠态的地位

事实上,量子力学中从来都没有什么纠缠态原理,只有全同对称性原理。有些人把全同对称性当成纠缠态,并加油添醋地进行歪曲和编造。他们从来不谈全同对称性,只谈纠缠态。其中有些人是无知,他们对量子力学一知半解,连什么是微观,什么宏观的概念没有搞清楚。有些人则是别有用心,故意把水搅浑,为达到某种不可告人的目的。

纠缠态概念本来是爱因斯坦为了反驳波尔的哥本哈根解释,作为反面的东西而提出的。爱因斯坦将它称为鬼魅,实际上是用它来嘲笑和讽刺玻尔的。想不到几十年后,纠缠态竟然变成正面的东西,堂而皇之地进入量子力学厅堂,并喧宾夺主,把全同性原理给边缘化了,这样的结果实在令人感到莫名其妙。

更莫名其妙的是,按照纠缠态的解释,如果两个微观粒子相隔非常远,以至于相互作用为零时,它们之间仍然存在鬼魅的纠缠关联。假设电子1发生了某个改变,远处的电子2也会同时发生相应的改变。这种关联被认为是无条件的,以无穷大速度传递的。

然而从全同对称性的角度,这样的关联就是胡说,没有任何可能性。相隔非常远后,电子1不可能对电子2产生任何影响,更不可能以无穷大的速度产生影响。

更严格地说,按照量子力学,微观粒子又分成费米子和玻色子,二者的统计性质不一样。电子和质子是费米子,光子是玻色子。费米子的波函数交换是反对称的,波色子则是对称的。

比如有两个光子,分别位于空间x1和x2点上。如果x1和x2相距离很远,两个光子间没有相互作用,波函数分别是A(x1)和B(x2)。不考虑全同对称性,总波函数则是A(x1)B(x2)。考虑全同对称性,两个光子的坐标互换,总波函数不变,写成A(x1)B(x2)+ A(x2)B(x1)乘上一个归一化常数。

如果是两个电子,位置交换后要加一个负号,总的波函数是A(x1)B(x2)-A(x2)B(x1)乘上一个归一化常数。两个粒子相互远离,之间没有相互作用并不意味着没有关联。如果两个粒子的初始状态存在关联,如能量守恒与角动量守恒等,分开后二者的关联仍然存在。

如果两个粒子没有相互远离,之间存在相互作用,波函数就不能写成坐标分开的形式。不考虑交换对称性,波函数为D(x1,x2)。考虑交换对称性,波函数为D(x1, x2)+ D’(x2, x1)或D(x1, x2)- D’(x2, x1)。

因此,如果非要说两个粒子存在纠缠的话,在这样的情况下才能说纠缠,所谓的纠缠应当理解为相互作用。如果两个粒子分离很远,二者间已经没有相互作用,有全同对称性,没有纠缠。

然而,物理学实验证明,微观粒子根本不存在分身术。为了能与实际观察一致,哥本哈根解释不得不引入测量理论。比如对于两个极化分别为+1和-1的光子位于x1和x2两点上,哥本哈根解释认为,在测量之前哪个光子在x1点,哪个光子在x2点是不确定的。这种不确定性不是我们不了解,而是在物理学上不确定。由于纠缠态存在鬼魅的相互作用,测量发现位于x1点上的光子的极化+1,就会使x2点的光子的极化马上变成-1。

反之亦然,如果测量发现x1点的光子的极化为-1,马上就会把位于x2点的光子的极化变成+1,尽管这两个光子相距非常远,相互之间没有相互作用。因此纠缠态的相互作用被认为是超光速的,甚至速度无穷大的超距作用。

于是,哥本哈根解释就把量子力学变成一种测量理论,并得出对一个粒子的测量能够瞬时改变另外一个粒子的状态的荒唐结果。由此导出各种奇奇怪怪,莫名其妙的理论,比如薛定谔猫佯谬,比如量子隐形态传输问题。量子力学被认为是非定域性的理论,微观粒子被认为不存在确定的轨道运动。量子纠缠作用被认为是超时空距离的、瞬间就能实现的过程,科学唯物论和因果律遭到彻底的破坏。

然而这些都是哥本哈根解释的胡扯,按照量子力学的系综解释,所有这些奇谈怪论都是不存在的。事实上,至今为止量子力学有十几种解释。哥本哈根解释只是其中的一种,但恰恰是最坏的一种。可悲的是,这种最荒谬的解释却成了主流,贻害物理学一百年。

到二十一世纪,哥本哈根解释居然被用来做量子技术。它首先被奥地利的一伙人用来做量子通讯,然后被引进到中国,搞得路人皆知。看似高大上,其实是国外没有人做的垃圾。接着就出现了什么量子洗衣机,量子冰箱,甚至量子袜子之类的地摊货。但从本质上说他们是一类货色,都是骗人的勾当。

由于违背科学基本原则,量子通讯热闹了十几年后做不下去了,现在已经变成烂尾楼。于是这伙人又转到量子计算机行业,用一堆镜子和分光器做光学测量,来冒充量子计算机。我们应当对他们保持高度的警惕,不要被他们那一堆靓丽的谎言迷惑,认为他们真的能做出什么量子计算机。要看破他们的把戏,具体可见本人以下今日头条文章:

1. “九章”是计算机吗?

https://www.toutiao.com/i6904874702720811524/

2. 按潘建伟的逻辑,袁灿伦设计出比“九章”快万亿倍超级量子计算机!

https://www.toutiao.com/i6906443924983661063/

3. 请问牛皮哄哄的谷歌,IBM和潘建伟,你们做出量子存储器了吗?

https://www.toutiao.com/i6907521514141221380/

4. 为什么说真正的量子计算机是做不出来的!

https://www.toutiao.com/i6909373987332112908/