Entangled World：

The Fascination of Quantum Information and Computation

 Jürgen Audretsch (Editor) 

 纠缠的世界：

量子信息与量子计算机的魅力

编者：[德]尤尔根*奥璀兹

英译：[德]鲁道夫*欧利希

汉译：郑 中

 


（封面设计：译者）

评 论

 “每章的作者都是相应领域的专家，他们对思想给出权威的解释。”

---《当代》杂志，2010年1月

 

 “这本专家论文选，广泛涉及有关量子主题，谋篇布局得当…推荐！”

---《选粹》杂志，2006年6月

 

简 介

    在量子世界中，粒子可表现为波动行为，因此看似同时处于两个位置。这当然与我们关于经典粒子的日常经验相抵触。那么对此如何理解呢？在经典世界与量子力学的过渡领域中发生了什么呢？现在，本书以一种容易理解的方式，回答了这些令人兴奋的问题，并指出这两大世界之间的联系，它对我们不久未来的日常生活将产生具体的实际影响，如提高和改变传统的信息处理方式。通过量子密码术的帮助，就可传达窃听证据。采用量子计算机，我们将可在很短时间内解决高度复杂的问题。

 

前 言

1 观察量子世界I：基本现象与概念

1.1 引言

1.2 单缝衍射

1.3 原子光学

1.4 量子领域

1.5 量子测量

1.6 一种关于量子领域的理论

1.7 量子芝诺效应：如何停止动力学演化

1.8 光子：光线的量子客体

1.9 黑暗里可看见吗？无交互作用的量子测量

1.10 何为真实？量子论的交互作用

参考文献

2 观察量子世界II：纠缠作用及其意义

2.1 引言

2.2 复合系统与量子纠缠态

2.3 选择路径信息：纠缠破坏干涉能力

2.4 隐变量：就是经典物理吗？

2.5 贝尔不等式：经典物理的极限

2.6 窃听者被查觉：量子密码

2.7 绵羊可克隆，光子不能

2.8 部分与整体

参考文献

3 波尔-爱因斯坦争论与量子力学的基本问题

3.1 爱因斯坦反驳：量子力学并非一种完备描述（1927）

3.2 爱因斯坦试图避免测不准关系与波尔的辩论（1927–1930）

3.3 EPR论据作为量子力学不完备性的直接证据

3.4 非局域性，纠缠作用与背景独立性

参考文献

4 量子世界之旅

4.1 迈入量子世界的第一步

4.2 量子论的历史

4.3 致冷技术与原子激光

4.4 相干与纠缠

4.5 量子世界中的新贵：量子计算机

4.6 关于量子硬件的方法

4.7 基本问题与展望

5 纠缠的量子系统：从波粒二象性到单光子光源

5.1 波粒二象性

5.2 量子界面

5.3 单光子光源

章末备注

参考文献

6 量子信息

6.1 通向量子信息科学之路

6.2 量子信息科学基础

6.3 实验实现与进展

6.4 总结

参考文献

7 量子计算机---新一代超级计算机？

7.1 引言

7.2 量子信息

7.3 叠加与纠缠

7.4 量子计算机与复杂性

7.5 肖尔算法

7.6 还原为找周期的问题

7.7 实现与展望

7.8 文献

参考文献

8 退相干性与量子物理向经典物理的转变

8.1 经典物理与量子物理

8.2 关于经典极限的神话故事

8.3 测量过程的量子论

8.4 例子

8.5 什么源于这一切？

参考文献

9 量子信息过程：梦想与实现

9.1 计算---一种物理过程

9.2 量子计算机如何工作？

9.3 何种技术适合于量子处理器？

9.4 采用离子阱的量子计算机

9.5 单离子的量子信息处理

9.6 希拉克-左乐尔CNOT门操作

9.7 纠缠---离子的贝尔态

9.8 调试量子处理器

9.9 以3个量子位进行处理：GHZ态和W态

9.10 传送量子信息---隐形传态

9.11 面向更大的机器---放大离子阱量子计算机

9.12 未来

参考文献

10 量子论：对哲学的挑战！

10.1 对自然哲学家的挑战

10.2 认识论透视

10.3 哲学的机遇

10.4 科学实在论与日常实在论

参考文献

索引

 

前 言

   量子论首先公开发表了一种基本思想，直到今天仍极其著名。在 1900年12月14日柏林，马克斯*普朗克在一篇关于黑体辐射的论文中，将一个神秘的概念“能量元”或“能量量子”引入物理学中。在这篇论文中，他假设能量E与光的频率ν成正比，这由一个新的普适常数联系起来，所谓的“普朗克常数”（Planck’s constant；在德语中叫“Wirkungsquantum”，意思是“作用量子”（action quantum））。这意味着h：

 

然后阿尔伯特*爱因斯坦在1905年的狭义相对论中创立了质能方程：

 

这两者被视为二十世纪物理学的标志，二者之间的联系已建立。之后，E = mc²作为一种符号被作成广告和彩色明信片，而普朗克方程从没有如此流行。这本来是令人惊讶的，因为量子论可能比狭义相对论，对我们关于物理实在的本质的观念提出了一种更深远的挑战。实际上，量子物理观念和概念，就在该过程中发展起来的，与日常物理少有相似性，非经典的滑雪者图说明了这两个方程的流行程度差异的原因。

 

哪条路？非经典滑雪者。

（绘画者：A.-M.Herckes）

 

    无疑普遍认为是在1900年是量子论诞生之年，然而是在1925至1927年间，W.海森堡、E.薛定谔、P. A. M.狄拉克、W.泡利和J.纽曼成功地明确叙述，并以一种有说服力的方式阐释了该理论。

   在四分之三个世纪之后今天，量子物理学自身通过技术，已立足于我们的日常生活中，但不当作普通物理接受。其原因在于，我们很少意识到我们包围在量子物理应用技术中多大的范围内，因为事实上我们锁闭了“黑箱”中的量子物理，无需知道内部如何运行，我们就可操作和处理。我们能计数灯座中的荧光管，并按下光按钮，让电流从原子能发电站流出。荧光管内或原子能发电站内将发生什么了？我们（在绝大多数情况下）不知道。由于我们的作用，我们停留于日常的经典物理的范围内。这里，我们非常熟悉现象，我们认为我们理解它。量子物理---现代技术的基础，从激光到微晶片---但它大部分仍保持一种未知状态，奇异现象和显然佯谬的事件，不时得到报道。而对量子世界的有趣现象和惊奇的理论观念，不难获得一些洞察。本书目标在于对此给出某些启发。

   但是，量子物理发源于好久以前，仍未得到详细地调查、探讨和全面阐释？该问题留给我们一个著名的物理史轶闻。当年轻的马克斯*普朗克问来自慕尼黑的物理学家冯*约利（von Jolly）“研究物理是否有意义”时，他再次告诫：物理学中的基本问题已被探究了，至多修补四处的缝隙。我们已知道马克斯*普朗克并未搭理这种劝告。同样，在量子物理视野中，那种长期占统治地位的想法---基本原理已完全阐明，物理学研究前缘将长期在别的领域---是错误的。最主要因为可理解如何隔离并控制单个量子客体，如原子、离子、分子甚至光子，关于量子论的古老的想象实验在实验上已变得可行，并已导致全新的洞察。古老的基本问题仍长期保持着---比如关于测量过程物理---终于获得实验研究和技术开发，所产生的深远影响，难以预料。

    现在有一个气氛活跃而欢快的大气圈科学系，几乎每个星期进行关于量子物理主题的报道，如下科学主题充斥大量日报上：量子计算机，量子信息过程，量子通信，量子密码，量子猫等等。这些“量子文章”在自然哲学论文中采用通俗描述，其中一种论点可叙述为“量子物理向我们指出：不管如何，一切彼此联系，因此…”。所有这些报道一般有一个关键的量子物理概念作为思考中心：纠缠。量子物理已变成一种“纠缠的世界”。本书打算洞察这种世界。其篇幅根据2000至2001年冬季学期在康斯坦茨大学[1]所作的关于“有交互关系的量子系统的物理学与哲学”的演讲。

类似前面章节[2]，本书中报道的作者已积极参与其中的研究。量子物理计算机领域的最新结果，也向技术应用方式提出挑战，特别是在最近十年。除此之外，影响到关于实在的中心哲学问题。介于某些主题之间的那些专题已被主动接受，为了更好理解，增加了相应的参考文献。

不乏采用明晰的定义和术语，也需把问题和结果适当地公式化，以便理解量子世界。这并不意味着读者在阅读本书之前，就应学习了物理学。令人惊讶地，一个关于量子论基本结构的良好思想，仅需一点预备数学知识就可理解了。当试图理解那些争论前缘，仍需要基本概念，如矢量和标量积；否则，继续思考将纠缠于无谓的矛盾和虚假问题中。量子论的思想和概念对我们是不熟悉的，因为量子论不可描述，而且不能解释为与我们直接相关的日常物理现象，而经典物理可做到。量子论迫使我们放弃通常的思考方式。也因此，它对于我们具有巨大的吸引力。

    纠缠的许多特征的主题，现在逐渐进入中学二年级快班课程和大学初级课程中。对此，本书可能是有用的。本书是为研究者、自然科学家、工程师、哲学家而准备的，尤其是为学生和教师以及感兴趣的“外行”。除此之外，通过激发对量子纠缠世界的实在性的反思，有益于在物理学与哲学之间进行学科对话。

 

 

2001年秋于康斯坦茨

尤尔根*奥璀兹