量子测量

量子测量

自量子力学诞生以来, 人们对微观世界运动规律的认识不断加深,但这种认识长期以来在很大程度上还带有统计性特别是对单量子态, 即量子体系中的单光子、单电子、单原子、单分子、凝聚态物质中的准粒子等单粒子量子态, 以及多粒子所形成的宏观量子态(如玻色一爱因斯坦凝聚态、超导或超流量子态), 进行量子测量和相互作用的研究还存在很多问题从上世纪90 年代开始, 法国科学家塞尔日.阿罗什(S er ge H aroc h e )与美国科学家大卫.维因兰德(D avi d W in ela n d ) , 在测量和操纵单一量子系统方面发明了开创性的实验方法。他们独立发明并拓展出能够在保持个体粒子的量子力学属性的情况下对其进行测量和操控的方法, 这在以前都被认为是不能实现的。他们为量子物理学开辟了实验新纪元的大门, 因而获得了20 12 年诺贝尔物理学奖他们在这方面的研究将在信息科学、量子计算机、光子钟研究方面孕育出重大的科学突破。

量子力学是通过波函数来描述微观世界的, 波函数包含了微观系统运动规律的全部信息。要获得这些信息中任何一种, 都必须依据波函数借助经典仪器,进行测量, 如微观粒子的双缝实验。但在未对粒子进行测量时, 粒子具有相干性, 这种量子相干性是微观世界的根本属性, 因而屏幕上呈现出粒子经过双缝后形成的干涉条纹，如果用仪器进行粒子的路径测量(which way),测出粒子是经由哪个缝到达屏幕, 干涉条纹就立即消失。像这样使粒子失去相干性的现象,称为量子退相干, 由测量引起的量子退相干也称为波包坍缩。

在量子测量时,人们用经典测量仪器和被测量的量子系统产生相互作用, 并从测量仪器的状态读出被测量的量子系统的状态。图1(a) 是进行路径测量前屏幕上显示出的双缝干涉条纹从图1 (b) 可以看到, 如果准确测出粒子的路径A C ,就意味着粒子在屏幕上的位置精确到x

∆。根据海森堡测不准原理, 粒子产生∆P （x

∆

- ）的动量扰动, 使粒子不能到达本该到达的屏幕上的位置, 从而使干涉条纹消失。在量子理论的表述中, 有一个重要假定, 即量子体系在经历测量后, 要跃迁到相应算符的本征态, 或者说, 量子体系在经历测量后就由纯粹系综转化为混合系综。从并协原理(或称量子力学互补性原理)来看, 物质运动具有粒子和波的双重属性, 在同一实验中二者相互排斥。所以若准确测知双缝干涉实验中粒子通过哪一个缝, 强调了粒子性, 那就必然排斥了与之互补的波动性, 从而导致干涉条纹的消失。

一旦对微观系统进行测量,该系统的波包果真会瞬时而整体地在全空间坍缩吗? 例如,某个粒子在t = 0 时刻位于空间点A ,在t = T 时刻测量其动量得到确定值p ,该粒子波包瞬间就坍缩到动量本征态| p > ～exp ( jÜpx) 上,即在时刻T 就变成漫布于整个空间的平面波,似乎不再定域. T 时刻测量粒子动量,会使整个体系“超光速”地以不同的概率坍缩到相应的动量本征态上! 与狭义相对论相矛盾.但应注意这种描述的仅是一种概率意义的“超光速”! 因为对四维时空的两个类空点A 、B 中A 点处的粒子进行单一测量,并不会确定地在过A 点光锥之外的B 点就能发现粒子,事件A 、B 间并无因果关系,它们间的联系仅是一种概率性的搭接. 因为发生的机会极其微小,实际上意味着不大可能发生,只是统计概念要求如此叙述罢了. 本来在经典意义上谈论微观粒子的因果关系和非定域问题就不很恰当,何况Haroche 实验就已经表明了量子退相干可能是一个渐近演化过程呢! 所以,认为单粒子波包在测量的瞬间就全空间地坍缩到各本征态上的假定不一定成立,怎样才能合理地描述值得进一步研究.

而对于多子系的微观体系而言,由于这些子系间相互纠缠,因而对其中一个子系的测量,必定会引起其他的子系作相应改变. 这种情况则是一种非定域性的表现,是量子力学所独有的特征. 也正好说明了量子纠缠态也许是未来通信领域中可能被开发的宝贵资源,如今正激起有关专家的热烈探索.

量子测量还涉及到量子力学的另外一些基本问题.比如,测量引起的从纯态到混合态的“跃变”是时间反演不可逆的,而薛定谔方程等却满足时间反演的可逆性;微观粒子的波包何以在测量后变得非定域地布满全空间,而宏观物体的“波包”为什么不随时间改变且呈定域性? ⋯⋯又比如,薛定谔猫态问题,虽然微观上确实可

以使一个粒子同时占据相距甚远(达到80 nm)的两个地方(或称为“两个不同的相位状态”) ,而宏观和经典意义上的猫却是不能既死又活的, 怎样把微观的“可逆”和“非定域”转化到宏观和经典的不可逆和定域;怎样把微观上可同时占据两个不同状态合理地演化成宏观和经典的“非此即彼”的情况; ⋯⋯这些都是非常复杂而又极其艰巨的课题. 虽然前不久也有人用一种十分简化了的模型,导出了“宏观物体”波包不随时间而变的空间定域化结论,及采用因子化结构的方法推论出宏观的“猫”只能具有一种状态,但要把宏观和经典的不可逆现象、时空上的定域性、状态上的唯一性和基本量子力学完全满意地协调起来,依旧是现代物理学至今尚未彻底解决而且必须继续关注的根本性任务.

总之,量子测量是一个内涵丰富、涉及深广的话题,它不仅在量子力学理论中占有极其重要的地位,而且在探索微观世界的实践中具有不可替代的作用. 虽然量子力学建立以来取得了非常巨大的成就,但对测量问题的研究远未达到“完全”、“彻底”的境地,甚至有些情况到今天更感到深不可测,就像费曼( Feynman R. P. ) 曾经说过的那样: 你似乎把这个问题挤压得越来越小了,但后来却发现它变得越来越大了. 所以,要建立起完善而成熟的量子测量理论,也许要走的路还是很长的.