引言：量子力學(xué)本來是一個(gè)有精確數(shù)學(xué)公式（薛定諤方程）定義的理論。至今所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也都和理論預(yù)言或者方程計(jì)算的結(jié)果一致。從這一點(diǎn)說量子理論是沒有爭(zhēng)議或者漏洞的。但是我們也經(jīng)常會(huì)聽到一些量子物理中的爭(zhēng)論：比如波粒二相性，薛定諤貓是什么？比如量子測(cè)量問題：波函數(shù)的坍塌是怎么造成的？比如波函數(shù)的真實(shí)性和完備性的問題：量子糾纏真的能發(fā)生？確實(shí)，量子物理中得到的一些結(jié)論和我們?nèi)粘Ｉ畹慕?jīng)驗(yàn)法則，物理直觀不一致或者相反。有些結(jié)論就是參與建立量子理論的大牛物理學(xué)們有人也不能接受。最著名的就是愛因斯坦和薛定諤。薛定諤方程是微觀粒子波函數(shù)滿足的運(yùn)動(dòng)方程，量子糾纏這個(gè)詞就是他最早提出的，可薛定諤自己也不相信他提出的波函數(shù)有真實(shí)的物理對(duì)應(yīng)，也不相信量子糾纏會(huì)在遠(yuǎn)距離發(fā)生。

從物理學(xué)的角度看，真正有爭(zhēng)議的實(shí)際上有兩個(gè)問題： 1）波函數(shù)是什么？它只是對(duì)微觀世界中粒子狀態(tài)的一種數(shù)學(xué)描述，還是具有真實(shí)的物理意義？這種描述是不是真實(shí)和完備的? 在我們生活的宏觀世界，我們實(shí)驗(yàn)?zāi)苡^測(cè)和測(cè)量的都是用波函數(shù)經(jīng)過很多微積分計(jì)算后的東西。也就是說實(shí)驗(yàn)是無法直接觀測(cè)波函數(shù)的，因此對(duì)波函數(shù)意義的爭(zhēng)論就一直沒有停止過。2）量子測(cè)量問題：一個(gè)系統(tǒng)的波函數(shù)被觀測(cè)時(shí)就會(huì)發(fā)生改變（坍塌），坍塌的機(jī)制是什么？測(cè)量是一個(gè)客觀的物理過程還是有觀察者的主觀意識(shí)在里面？

微觀體系中粒子的運(yùn)動(dòng)經(jīng)常會(huì)和我們的經(jīng)驗(yàn)直觀不一致或者相反。對(duì)這些問題和現(xiàn)象的討論又涉及了很多哲學(xué)問題：比如微觀世界中還有真實(shí)性，因果性嗎？世界是唯物，可認(rèn)知的？還是唯心的，和我們的意識(shí)有關(guān)？時(shí)間概念（過去，現(xiàn)在，將來）在微觀體系里存在嗎？ 本文試圖不用數(shù)學(xué)公式，而是用實(shí)驗(yàn)，對(duì)這幾個(gè)有爭(zhēng)論的物理問題做些介紹和討論。

第一章：波粒二相性：電子是粒子還是波？

在我們生活的宏觀世界里，粒子（Particle）和波（Wave）是不同的東西。粒子比如一個(gè)乒乓球是可以觸摸的客觀存在。所謂的觸摸意味著它有確定的位置，在這個(gè)位置上它的存在是確定的（100%）。而波(比如水波）就不一樣了，學(xué)過物理的人都知道波可以反射（reflection）和衍射（diffraction）。遇到障礙物可以一部分被反射回來，一部分可以衍射過去。兩列波可以干涉（interference），相位一致的兩列波可以產(chǎn)生干涉相加（圖1-1上），相位相反的兩列波可以造成干涉相消（圖1-1下）。而在宏觀世界里，粒子是不可能相互干涉的。據(jù)此，我們可以利用波的干涉特性來區(qū)分波和粒子。這就是著名的雙縫實(shí)驗(yàn)。

圖1-1：相加干涉，相消干涉

1.1. 怎樣檢測(cè)是粒子還是波？用著名的雙縫實(shí)驗(yàn)
1.1.1. 如果是粒子, 結(jié)果是這樣的: 通過雙縫后不會(huì)出現(xiàn)干涉疊加

圖1-2： 粒子沒有干涉

1.1.2. 如果是波，結(jié)果是這樣的：通過雙縫后會(huì)產(chǎn)生干涉條紋

圖1-3： 波產(chǎn)生干涉條紋

1.2. 在宏觀世界里粒子和波是不相容的：一個(gè)東西要么是波，要么是粒子。 但在微觀世界里我們的這個(gè)常識(shí)就不再正確，需要換腦筋了。 我們接著用雙縫實(shí)驗(yàn)來說明。比如電子是粒子還是波呢？ 我們可以用電子做雙縫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果會(huì)怎么樣？ 

圖1-4： 直覺可能是A， 實(shí)際結(jié)果是B： 電子是波！

2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不好理解:
2.1. 如果電子是波，電子槍里打出來的不是一個(gè)一個(gè)的粒子嗎？ 測(cè)量屏上測(cè)量到的不是一個(gè)一個(gè)電子嗎？
2.2. 如果電子是粒子，為什么會(huì)出現(xiàn)干涉條紋？

3. 量子力學(xué)認(rèn)為，微觀粒子有波粒二相性：
3.1. 電子既可以是粒子，也可以是波！ 這在宏觀世界里確實(shí)不好理解。但在微觀世界里這個(gè)波粒二相性卻是微觀粒子的本質(zhì)特征。
3.2. 電子是波還是粒子取決于外界的觀測(cè)。在有些實(shí)驗(yàn)中電子可以顯示出波動(dòng)，而在另外的不同條件下的實(shí)驗(yàn)中，電子又可以顯示它的粒子性。我們宏觀世界里
的現(xiàn)象真實(shí)(Phenomenal Reality) 并不是事物的本來面目（deep reality），而是我們對(duì)事物進(jìn)行觀測(cè)處理后才出現(xiàn)的特性。
3.3. 作為簡(jiǎn)單的理解，雙縫實(shí)驗(yàn)中之所以會(huì)出現(xiàn)干涉條紋是因?yàn)槲覀儫o法確定電子是從哪個(gè)縫過去的，電子從兩個(gè)縫都可以通過。這樣兩個(gè)縫中通過的電子波就產(chǎn)生了干涉現(xiàn)象。

4. 雙縫實(shí)驗(yàn)的講解視頻：
4.1. Youtube：https://www./watch?v=DfPeprQ7oGc
4.2. 優(yōu)酷
http://v.youku.com/v_show/id_XNjI5ODU2NTY0.html

第二章：觀測(cè)產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)

微觀粒子具有波粒二相性，可能和我們的直觀經(jīng)驗(yàn)有矛盾，假如我們接受這個(gè)原理，我們就要面對(duì)一些挑戰(zhàn)：電子啥時(shí)候是粒子？啥時(shí)候是波？難道可以又是粒子又是波嗎？到底哪個(gè)是電子的真實(shí)存在呢?
討論這些問題之前我們首先定義一下什么是事物的本體真實(shí)（deep reality）,它和我們感到到的現(xiàn)象真實(shí)(Phenomenal Reality)是不是一回事。本體真實(shí)應(yīng)該具有完備性，可以描述事物的所有特征或者演化過程。而現(xiàn)象真實(shí)不過是本體真實(shí)在某一個(gè)具體時(shí)空中的特征或者特性。從理論上講如果我們認(rèn)識(shí)了本體我們就可以說我們認(rèn)識(shí)了事物本身。反之，無論我們認(rèn)識(shí)了事物的多少現(xiàn)象真實(shí)，我們也無法說我們認(rèn)識(shí)了事物本身，因?yàn)闀r(shí)空是無限的。對(duì)于電子來說，到底本體真實(shí)是波呢，還是粒子呢？ 讓我們繼續(xù)通過實(shí)驗(yàn)討論。

上一章我們說干涉條紋的出現(xiàn)是因?yàn)殡娮訌膬蓚€(gè)縫都可以通過，我們無法確定到底是從哪個(gè)縫中通過的。那我們就想想辦法看電子到底是從哪個(gè)縫中通過的。

1. 實(shí)驗(yàn)A：同樣的電子雙縫實(shí)驗(yàn)。不過這次我們?cè)陔p縫上安放電子計(jì)數(shù)器，讓他們來探測(cè)一下電子是從哪個(gè)縫中過去的。如果電子從上面縫中通過，上面縫上的計(jì)數(shù)器就會(huì)顯示出來。同樣如果電子從下面的縫中通過，下面的計(jì)數(shù)器也會(huì)顯示，這樣我們不就知道電子從哪個(gè)縫通過了? 非常不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。我們看看實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何。

圖 2-1： 觀測(cè)電子從哪個(gè)縫過去，干涉條紋消失了

1.1. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1.1.1. 電子計(jì)數(shù)器記錄下來一半電子從上邊，一半電子從下邊通過（符合我們的經(jīng)驗(yàn)）。
1.1.2. 電子要么從上邊，要么從下邊通過，不可能同時(shí)從兩邊通過（也符合我們的經(jīng)驗(yàn)）。
1.1.3. 可這時(shí)觀測(cè)屏幕上的干涉條紋消失了！電子是粒子了，不再是波了！
1.2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 當(dāng)我們對(duì)電子做觀測(cè)時(shí)，它就不再是波，而是顯示出粒子特性。電子是粒子還是波取決于我們是不是對(duì)它做觀測(cè)。我們以為電子是存在的也是因?yàn)槲覀儗?duì)電子做了測(cè)量。
1.3. 總結(jié)一下至今我們的實(shí)驗(yàn)： 如果沒有電子計(jì)數(shù)器，電子顯示是波，觀測(cè)屏幕出現(xiàn)干涉條紋。 如果我們?cè)陔p縫上用計(jì)數(shù)器對(duì)電子做觀測(cè)，干涉條紋消失，電子呈現(xiàn)粒子性。 我們可能會(huì)對(duì)計(jì)數(shù)器的功能感到好奇，它為啥能改變電子的狀態(tài)呢？這時(shí)候有聰明人會(huì)想到一個(gè)辦法: 把探測(cè)器放在雙縫里但不打開啟用，看看結(jié)果怎么樣？

2. 實(shí)驗(yàn)B：把實(shí)驗(yàn)A中的電子計(jì)數(shù)器留在雙縫中，但不打開它，不讓它工作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)有變化嗎？結(jié)果是
2.1. 干涉條紋又回來了！這時(shí)候電子又是波了！
2.2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果再一次證實(shí)一個(gè)結(jié)論：電子是粒子還是波取決于我們是不是對(duì)電子做觀測(cè)。

圖2-2： 電子計(jì)數(shù)器不啟動(dòng)，又出現(xiàn)干涉條紋

3. 總結(jié)：
3.1. 電子可以是粒子，也可以是波，但不可以同時(shí)又是粒子又是波（量子互補(bǔ)原理）。
3.2. 電子是波還是粒子取決于我們是不是對(duì)電子做觀測(cè)。觀測(cè)產(chǎn)生了現(xiàn)象真實(shí)（粒子性，比如電子的位置，質(zhì)量，電荷， 。。。）。在沒有對(duì)電子做觀測(cè)之前這些現(xiàn)象性質(zhì)是不存在的。后面我們會(huì)看到包括電子的空間位置和時(shí)間前后在對(duì)電子觀測(cè)之前都是沒有意義的。
3.3. 量子測(cè)量原理：
3.3.1. 電子本性真實(shí)是波，要用電子的波函數(shù)描述，而時(shí)間和空間是波函數(shù)的變量。波函數(shù)的值代表電子在某個(gè)時(shí)空出現(xiàn)的概率。也就是說電子在空間上有個(gè)分布，而這個(gè)分布是隨時(shí)間變化的（這就是所謂的粒子非定域性）。但所有這一切在我們觀測(cè)電子時(shí)發(fā)生了突變: 觀測(cè)造成電子被定域在某個(gè)空間，成為了可觀測(cè)的粒子，失去了非定域波動(dòng)性（相干性）。
3.3.2. 具體到雙縫實(shí)驗(yàn)，不觀測(cè)時(shí)，電子波可以有一定的概率同時(shí)從兩個(gè)縫通過（幾率波），形成干涉條紋。而觀測(cè)會(huì)造成幾率波的坍塌（所謂的波函數(shù)坍塌），電子失去了相干性。
3.3.3. 薛定諤貓問題也是一樣。貓?jiān)诤凶永锟赡苁腔畹?，也可能是死的，都有可能（幾率波）?可一旦
打開盒子看，觀測(cè)會(huì)造成幾率坍塌，就只能看到死貓或者活貓，而看不到又死又活的貓。

4. 討論：人也是由微觀粒子（原子，分子）組成的。人體的這些微觀粒子整體的系統(tǒng)波函數(shù)應(yīng)該是存在的。人的波函數(shù)有什么特征呢？波函數(shù)又是由本征態(tài)疊加而成的，人的本征態(tài)是什么？不同的本征態(tài)又代表什么含義？另外波函數(shù)是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)，無法完全消失，這又意味著什么？
4.1. 佛教觀點(diǎn)【1】：有人認(rèn)為波函數(shù)就是佛教里面的“空”性。一是因?yàn)椴ê瘮?shù)描述了事物的本性真實(shí)，符合佛教里空就是事物本性的說法。另外波函數(shù)是無法觀測(cè)的，所以確實(shí)可以看成是空。而觀測(cè)到的宏觀世界中的粒子性就是“色”。從波粒二象性可以說明，”色不異空，空不宜色，色既是空,空既是色”。人死時(shí)波函數(shù)也還會(huì)存在，通過轉(zhuǎn)世繼續(xù)輪回。
4.2. 多世界理論(MWI): 后面要講到的多世界理論（MWI）認(rèn)為宇宙也遵從量子理論，可以用一個(gè)宇宙波函數(shù)表述。人是宇宙中的一個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)特的世界。宇宙中有多個(gè)平行的世界，一個(gè)人可以在多個(gè)世界存在。由于宇宙是個(gè)孤立體系，它的波函數(shù)會(huì)永遠(yuǎn)按照波動(dòng)方程演變下去。這可能就是心經(jīng)里說的“不生不滅，不垢不凈，不增不減”。

5. 量子測(cè)量原理測(cè)試：如果到此你覺得已經(jīng)懂了量子測(cè)量原理，恭喜你！你可以考慮成為量子物理學(xué)家了。我們來測(cè)試一下看看我們到底是不是真的明白了。
5.1. 測(cè)試一： 如果電子不是一堆一堆的通過雙縫，而是一個(gè)一個(gè)的讓它們通過。一個(gè)電子到了最后的觀測(cè)屏后再讓另外一個(gè)出來， 最后后會(huì)出現(xiàn)干涉條紋嗎？
5.1.1. 答案是：YES! 因?yàn)橹灰獩]有觀測(cè)， 電子還是幾率波， 既是一個(gè)電子也有一定的幾率通過兩個(gè)縫，從而干涉(自己和自己干涉，或者說幾率波之間的干涉)。也就是說干涉不是電子之間的干涉，而是電子自己出現(xiàn)在兩個(gè)縫上的幾率波的干涉。
5.2. 測(cè)試二：既然觀測(cè)會(huì)讓電子只從一邊通過，而要得到干涉條紋需要電子從兩個(gè)縫都通過，我們把觀測(cè)裝置放到縫的后面（縫和觀測(cè)屏之間）。 這時(shí)候打開觀測(cè)儀時(shí)，電子應(yīng)該已經(jīng)通過雙縫了，這樣我們還能看到干涉條紋嗎？
5.2.1. 答案是：NO! 為什么呢？ 不是說電子可以同時(shí)通過兩個(gè)縫就有干涉嗎？ 到底觀測(cè)是怎樣影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呢？這種觀測(cè)是一種客觀過程，還是我們?nèi)祟惖闹饔^意識(shí)呢？ 我們這在下一章專門討論。
參考書：
【1】物理與佛學(xué)（第二版）--- 王守宜 (慧炬出版社)

第三章：量子測(cè)量理論

首先需要澄清的是，盡管大家感覺好像量子理論存在跟多爭(zhēng)論，但這些這些爭(zhēng)論都不涉及量子理論的基本數(shù)學(xué)表述和計(jì)算結(jié)論。包括我們說的波函數(shù)理論和方程是沒人挑戰(zhàn)，沒人質(zhì)疑的。 對(duì)按照波函數(shù)理論計(jì)算出來的結(jié)果，包括波函數(shù)用本征態(tài)做疊加展開，成為本征態(tài)的疊加（性干性的來源），而實(shí)驗(yàn)觀測(cè)只能測(cè)量到某個(gè)特定本征態(tài)。這些基本量子理論和概念大家都沒有爭(zhēng)議。 爭(zhēng)議出現(xiàn)在波函數(shù)是怎么從相干的疊加態(tài)在觀測(cè)時(shí)變(坍塌)成一個(gè)特定的本征態(tài)的。這就是所謂的量子測(cè)量問題。 

量子測(cè)量問題是量子理論產(chǎn)生后一直有爭(zhēng)議的物理哲學(xué)問題，也是為什么人連費(fèi)曼（費(fèi)曼因在量子電動(dòng)力學(xué)方面的貢獻(xiàn)1965年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）都說自己不懂量子理論。我們可以看看物理學(xué)家是怎么討厭這個(gè)問題的。 

費(fèi)曼的觀點(diǎn)是：shut up and calculate，閉嘴，乖乖計(jì)算。至今所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果都和量子力學(xué)計(jì)算一致。這就足夠了，不用去操心什么是測(cè)量。 
玻爾（量子理論的創(chuàng)始人）曾說：“誰要是第一次聽到量子理論時(shí)沒有感到困惑，那他一定沒聽懂?！?nbsp;
Jim Al-Khalili： 你要想在量子物理學(xué)家的眼里看到恐懼，就問他測(cè)量問題好了。 

測(cè)量問題的爭(zhēng)論涉及到了 一些哲學(xué)概念，比如微觀世界在空間、時(shí)間乃至實(shí)在本體等方面與宏觀世界的直覺不一致；比如測(cè)量是客觀過程還是有主觀意識(shí)。從物理學(xué)的角度看，測(cè)量是用經(jīng)典（宏觀）儀器觀測(cè)量子（微觀）體系，涉及到了經(jīng)典和量子的邊界以及相互作用。這里介紹幾個(gè)不同的測(cè)量理論解釋。再次提醒大家注意，這里介紹的測(cè)量理論不同點(diǎn)只是在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的解釋上:測(cè)量怎樣造成了電子從波變成了粒子。

首先介紹一下所有這些爭(zhēng)論都能接受的基本量子理論概念，再討論不同測(cè)量理論。
一個(gè)微觀體系的狀態(tài)可以用波函數(shù)來完備地表述，波函數(shù)包含有量子系統(tǒng)的全部信息（想象類比：二維空間一個(gè)物體的位置可以用一個(gè)矢量表示）. 

圖3-1： 二維空間矢量可以用一維空間（X，Y）的基矢量表示

系統(tǒng)波函數(shù)可以用某個(gè)觀測(cè)量的本征態(tài)展開（類比：二維空間矢量可以用一維空間（X，Y）的基矢量表示），而對(duì)應(yīng)每個(gè)本征態(tài)存在一個(gè)這個(gè)觀測(cè)量的本征值。

對(duì)這個(gè)觀測(cè)量進(jìn)行測(cè)量時(shí)只能觀測(cè)到很多本征值中的一個(gè)，這時(shí)系統(tǒng)波函數(shù)也就變成相應(yīng)的本征值對(duì)應(yīng)的本征態(tài)上。（類比：測(cè)量尺子是一維的，無法進(jìn)行二維矢量的測(cè)量，只能測(cè)一維長(zhǎng)度：把尺子放在X坐標(biāo)就得到a1：矢量在X軸的投影；放在Y坐標(biāo)得到 a2：矢量在Y軸的投影。）

盡管對(duì)以上的量子理論沒有爭(zhēng)議，可測(cè)量時(shí)波函數(shù)怎么變成某個(gè)特定本征態(tài)的，至今還是一個(gè)有爭(zhēng)議的問題。主流觀點(diǎn)是以波爾為代表的哥本哈根解釋。這個(gè)解釋說測(cè)量會(huì)造成波函數(shù)坍塌。可這個(gè)解釋并不是建立在令人信服的數(shù)學(xué)或者物理基礎(chǔ)之上，使得很多人不能接受。爭(zhēng)論集中在兩點(diǎn)：一:真的有波函數(shù)坍塌嗎？二：如果有，坍塌的機(jī)制是什么？下面我們除了介紹哥本哈根派的測(cè)量解釋以外，也介紹幾個(gè)有意思的其他理論解釋。 

1. 哥本哈根解釋：波函數(shù)坍塌理論。以波爾為代表的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，觀測(cè)造成了波函數(shù)坍塌，從本征態(tài)的疊加坍塌成某一個(gè)特定的本征態(tài)。至于坍塌的機(jī)制是什么，我們無從得知也不需要知道。這個(gè)解釋也是寫在量子理論教科書中的主流理論。哥本哈根學(xué)派對(duì)雙縫實(shí)驗(yàn)的解釋: 只有當(dāng)電子抵達(dá)偵測(cè)屏的時(shí)候，對(duì)電子做了測(cè)量，電子才是存在的。在中間任何其它時(shí)間，我們不能夠確定電子的位置。為了要確定電子在某個(gè)其它時(shí)間的位置，必須要能偵測(cè)到它?？墒?，一當(dāng)偵測(cè)到電子在某個(gè)時(shí)間的位置，也就
改變了電子的量子態(tài)造成坍塌，干涉圖樣也因此受到影響。在雙縫實(shí)驗(yàn)里，中間到底發(fā)生了什么狀況，無從得知。所以無論探測(cè)器放到縫的前面，中間，還是后面，結(jié)果都一樣。

2. 馮·諾依曼解釋 這個(gè)理論接受波函數(shù)坍塌的解釋，但試圖解釋坍塌是怎么發(fā)生的。它把觀測(cè)儀器考慮進(jìn)去，把待測(cè)系統(tǒng)(S)和觀測(cè)儀器（I）看成一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)來考慮，試圖用系統(tǒng)的波函數(shù)變化來解決待測(cè)子系統(tǒng)（S）的波函數(shù)是怎么坍塌的。但最后還是需要引進(jìn)主觀意識(shí)來解決。后來有人認(rèn)為量子理論中需要主觀意識(shí)，來源就是這個(gè)理論解釋。
2.1. 在測(cè) 量過程中，測(cè)量?jī)x器的加入等價(jià)于我們要考慮的是待 測(cè)系統(tǒng)（S）和觀測(cè)儀器（I）構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng) (S I).
2.2. 儀器(I)也是由服從量子力學(xué)的微觀粒子組成，也應(yīng)當(dāng)用量子力學(xué)加以 描述。儀 器 I 和待測(cè)系統(tǒng) S 之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致了系統(tǒng)（S I ）的共同態(tài)的演變。
2.3. 測(cè)量時(shí)外界產(chǎn)生干擾，影響了儀器，進(jìn)而儀器影響了系統(tǒng)，從而改變了待測(cè)子系統(tǒng)，這樣就導(dǎo)致了波函數(shù)坍塌。
2.4. 困境：當(dāng)我們把儀器已經(jīng)考慮進(jìn)去后，測(cè)量時(shí)還有什么是外界干擾？只有觀察者了！馮·諾依曼的答案是：量子力學(xué)理論必須有 “主觀介入”產(chǎn)生干擾。這樣的話微觀概念不再具有“客觀性”，量子微觀世界不會(huì)
獨(dú)立于主體（觀察者）之外。但他后來放棄了這種解釋。最新的退相干理論就是在這個(gè)理論的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步的發(fā)展。 

3. 多世界解釋（Many World Interpretation， MWI）： 
這個(gè)理論不接受波函數(shù)坍塌的說法，認(rèn)為波函數(shù)突然的坍塌沒有物理合理性。它認(rèn)為任何孤立系統(tǒng)都必須按照量子力學(xué)方程演化。如果系統(tǒng)處在疊加態(tài)，它必定永遠(yuǎn)按照疊加態(tài)演化下去，不存在什么坍塌。 

3.1. 只有整個(gè)宇宙是個(gè)孤立系統(tǒng)。宇宙態(tài)矢量存在于一個(gè)非常高維的空間中。高維空間由許多低維“世界”構(gòu)成。每個(gè)世界只能感受到宇宙矢量在其中的投影，在每個(gè)世界看來宇宙是不同的 (二維矢量投影在X和Y上長(zhǎng)度是不一樣的)。 

3.2. MWI對(duì)雙縫實(shí)驗(yàn)的解釋： 
3.2.1. 沒有測(cè)量時(shí)，只考慮電子本身世界有兩個(gè)；上縫世界和下縫世界。電子本身的態(tài)矢量在這兩個(gè)世界的投影為： 通過上縫和通過下縫的兩個(gè)本征態(tài)。但這兩個(gè)子世界并不垂直，所以有相干。電子能夠同時(shí)感受到雙縫而自我干涉。 宇宙態(tài)=（|電子過上縫態(tài)> |電子過下縫態(tài)>）|沒做觀測(cè)的觀察者>|宇宙其他部分>

3.2.2. 當(dāng)我們觀測(cè)時(shí)：測(cè)量?jī)x器、觀察者和電子構(gòu)成一個(gè)更大的世界。這個(gè)世界的維度高了很多。電子的上縫世界和下縫世界被包含在大世界里面。結(jié)果
就是電子的兩個(gè)原本相干的投影在大世界里基本垂直而不互相干涉了。量子疊加態(tài)在宏觀層面就消失了(退相干)。 宇宙態(tài)=（|電子過上縫態(tài)>|觀測(cè)到通過上縫的觀察者> |電子過下縫態(tài)>|觀測(cè)到通過下縫的觀察者>）|宇宙其他部分>= （|發(fā)現(xiàn)電子通過上縫> |發(fā)現(xiàn)電子通過上縫> >）|宇宙其他部分> 

3.2.3. 我們注意，宇宙態(tài)矢量還是一直滿足量子力學(xué)方程的。宇宙也只有一個(gè)，但包含了很多世界（觀察者也包含其中）。所謂的坍塌不過是宇宙矢量在我們自己所處世界的投影。 

3.3. 這樣一來，薛定諤的貓?jiān)僖膊槐貫樗阑顔栴}困擾，宇宙分裂成了兩個(gè)世界，一個(gè)有活貓，一個(gè)有死貓。對(duì)于那個(gè)活貓的世界，貓是一直活著的，不存在死活疊加的問題。對(duì)于死貓的世界，貓?jiān)诜至训哪且豢叹蛯?shí)實(shí)在在地死了，不要等人們打開箱子才“坍縮”，從而蓋棺定論。

3.4. 為了使這個(gè)理論能夠自洽，符合我們的日常經(jīng)驗(yàn)(從 來沒有感受到這樣一種“分裂”的世界)， 每個(gè)子世界需要互相平行（所謂的Parallel World）, 相互之間是不能交流和通信的， 否則同一個(gè)觀察者的“分身”之間就會(huì)互相認(rèn)識(shí)了。 3.5. 困境和引申：人呢？也是有一個(gè)活著，一個(gè)死去的世界嗎？在一個(gè)世界死了，在另外一個(gè)世界可能還活著？瀕死經(jīng)驗(yàn)是不是兩個(gè)世界的人的交流和通信？為了解決這些困境，后來又有人在多世界理論的基礎(chǔ)上發(fā)展出多心（多腦）理論（Many-minds interpretation）【1】。

4. 退相干理論:最新最流行的理論。它的思路和馮·諾依曼解釋類似，把觀測(cè)儀器考慮進(jìn)去做系統(tǒng)波函數(shù)的演變，進(jìn)而試圖解釋波函數(shù)坍塌的機(jī)制【2】。這里不做詳細(xì)介紹了。 

參考文獻(xiàn) 
【1】： https://en./wiki/Many-minds_interpretation 
【2】https://en./wiki/Quantum_decoherence

第四章： 延遲選擇實(shí)驗(yàn)：現(xiàn)在影響過去？

在雙縫實(shí)驗(yàn)中，我們知道干涉條紋出現(xiàn)時(shí)電子是要從兩個(gè)縫中都通過才行。如果從一個(gè)縫中通過就沒有干涉條紋；可我們把探測(cè)器放到縫的后面時(shí)也沒有了干涉條紋，說明電子是從一個(gè)縫中通過的。這樣就出現(xiàn)了一個(gè)選擇問題：我們可以在電子通過了縫后再?zèng)Q定是不是打開探測(cè)器。如果我們決定打開，電子就從一個(gè)縫過， 如果不打開，電子就從雙縫通過. 難道現(xiàn)在的決定可以影響過去的電子行為？ 這可能嗎？延遲選擇實(shí)驗(yàn)就是想檢驗(yàn)這個(gè)問題。

延遲選擇實(shí)驗(yàn)是美國(guó)理論物理學(xué)家惠勒在1979年提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。它旨在測(cè)試實(shí)驗(yàn)者的現(xiàn)在決定（什么時(shí)候觀測(cè)，在什么地方觀測(cè)）是不是可以影響觀測(cè)粒子過去的行為?，F(xiàn)在這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也完全符合量子力學(xué)的預(yù)言。然而對(duì)實(shí)驗(yàn)的解釋也是有爭(zhēng)議的。

1. 實(shí)驗(yàn)是這樣設(shè)計(jì)的：一束激光在A處經(jīng)過鍍銀的半透鏡（綠色），一半被透射過去（藍(lán)色光路），一半被反射（紅色光路），在B處探測(cè)。探測(cè)儀D1探測(cè)的是從藍(lán)色路經(jīng)過來的光，探測(cè)儀D2探測(cè)的是從紅色路徑過來的光。這兩條路徑相當(dāng)于雙縫實(shí)驗(yàn)中的兩條縫。

圖4-1： 延遲選擇實(shí)驗(yàn)

1.1. D1或者D2 探測(cè)到一個(gè)光子，我們就可以知道這個(gè)光子是從兩條路徑中的哪一條光路過來的。這是沒有疑問的。
2. 現(xiàn)在在B處再放一個(gè)鍍銀的半透鏡（圖4-2）。這樣每個(gè)探測(cè)器接受到的都是兩個(gè)路徑過來的光。然后調(diào)整探測(cè)器D1和D2的相對(duì)位置，讓一個(gè)探測(cè)器（D2）接受到的兩路光相位匹配，從而干涉相加（圖1-1上圖），另外一個(gè)探測(cè)器（D1）是相位反匹配，干涉相消（圖1-1下圖）。結(jié)果就是D1將不會(huì)接收到任何光子信號(hào)；只要光源發(fā)出光子，必被D2接收到。這樣設(shè)計(jì)的結(jié)果就是探測(cè)到的光子是同時(shí)經(jīng)過兩條路線到達(dá)B的。這也應(yīng)該沒有疑問。

圖4-2：延遲選擇實(shí)驗(yàn)：光子混合后觀測(cè)干涉效應(yīng)

3. 惠勒提出一個(gè)巧妙的想法：我們要不要在B處放半透鏡的決定延遲做出，等讓光子通過A處半透鏡之后，到達(dá)B之前再?zèng)Q定是不是放B處的半透鏡。 這樣安排后我們得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果就成這樣了：
3.1. 如果實(shí)驗(yàn)者現(xiàn)在決定不放，每個(gè)探測(cè)儀都能探測(cè)到一條路徑過來的光子，每個(gè)光子只通過一條路徑（或者紅或者藍(lán)）到B處。
3.2. 如果實(shí)驗(yàn)者現(xiàn)在決定放B處的半透鏡，那么光子就要通過兩條路徑到B處。光子通過A后的行為是由將來的實(shí)驗(yàn)者的選擇決定的？！
3.3. 這太不可思議了！光子過A時(shí)，實(shí)驗(yàn)者還沒做出選擇，那么光子怎么走，是走一條路徑，還是兩條路徑難道還要等觀測(cè)者決定？光子的行為怎么能取決于
實(shí)驗(yàn)者將來的決定呢？過去不是已經(jīng)發(fā)生了嗎？

4. 惠勒解釋：
4.1. 延遲選擇中沒有矛盾。 按照哥本哈根解釋，我們無法談?wù)摴庾訌腁到B之間的事情。任何一種量子現(xiàn)象只有被觀測(cè)之后才是一種現(xiàn)象。在測(cè)量之前我們談?wù)摴庾訌氖裁绰窂酵ㄟ^都是沒有意義的。
4.2. 所謂的過去不是實(shí)在的過去，除非它存在于現(xiàn)在的一個(gè)記錄里，否則談?wù)撨^去是沒有意義的。用波爾的話說就是：任何一種基本量子現(xiàn)象只在其被記錄（觀測(cè)）之后才是一種現(xiàn)象。

5. 經(jīng)典物理的還原論認(rèn)為：物質(zhì)本身可以分解成部分，整體是部分之和，各個(gè)部分可以拆卸，相同的部分可以替換。物理過程也可以分解成部分。比如你從家出發(fā)先到學(xué)校， 而后從學(xué)校去郵局，或者從學(xué)校去圖書館，前面的部分是一樣的，可以替換的。
5.1. 可量子論認(rèn)為，不能把原子客體和觀測(cè)它的儀器分開，圖4-1 和圖4-2是兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。盡管看起來差別只是最后的部分發(fā)生了變化，但是只要有一個(gè)局部變了，整個(gè)物理過程全部改變了. 惠勒延遲實(shí)驗(yàn)把量子力學(xué)的測(cè)量行為和時(shí)間本性之間的關(guān)系突出地表現(xiàn)出來，把哥本哈根學(xué)派的思想推到了邏輯上的極致。

第五章： 量子糾纏：因果律失效？

量子糾纏本來是相干粒子的基本特性，從量子力學(xué)基本理論上看根本就不是一個(gè)問題。 比如原子中的電子就是糾纏的，根本就沒有什么疑問。但由于幾個(gè)原因這個(gè)問題變成了一個(gè)非常熱門的課題。

第一： 歷史上最偉大的科學(xué)家愛因斯坦不相信超越時(shí)空的量子糾纏。 量子力學(xué)的基本公式是薛定諤方程，可薛定諤也和愛因斯坦一樣不相信他提出的波函數(shù)可以產(chǎn)生超越時(shí)空的量子糾纏。這種超越時(shí)空的糾纏不僅和愛因斯坦的相對(duì)論沖突，也違反了宇宙中所有的現(xiàn)實(shí)邏輯，它讓我們理解的因果律失效，需要腦洞大開才能理解和接受。

第二：超越時(shí)空的量子糾纏實(shí)驗(yàn)上非常難實(shí)現(xiàn)。按照一般的量子原理，量子理論適用的范圍是微觀粒子在微觀范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。所謂超越時(shí)空的量子糾纏是觀測(cè)微觀粒子在宏觀尺度上的關(guān)聯(lián)，并且要求微觀粒子系統(tǒng)不能受到任何干擾。任何外界干擾都可能破壞粒子的相干性。所以盡管上世紀(jì)70年代就有人說試驗(yàn)驗(yàn)證了量子糾纏，可總被指出實(shí)驗(yàn)中有各種各樣的漏洞，直到2015年才有人宣稱把所有的漏洞都補(bǔ)上后證實(shí)了超越時(shí)空的量子糾纏。

在討論量子糾纏之前，我們先用我們熟悉的現(xiàn)象說明一下什么是經(jīng)典糾纏。 兩個(gè)球彈性對(duì)撞后，一般會(huì)向相反方向跑走。如果我們測(cè)量其中一個(gè)球的速度，我們就會(huì)知道另外一個(gè)球的速度。這就是經(jīng)典糾纏。

我們先看看為什么量子糾纏是量子理論的固有特性。

1. 假設(shè)有兩個(gè)電子組成的封閉體系，每個(gè)電子都是旋轉(zhuǎn)的（可以上旋，也可以下旋），而系統(tǒng)的總的旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量是0. 按照量子理論，系統(tǒng)的波函數(shù)是這樣的 波函數(shù)= |電子1上旋> |電子2 下旋> |電子2上旋> |電子1 下旋>
1.1. 在這個(gè)系統(tǒng)中，電子1 即可能上旋，也可能下旋（相當(dāng)于雙縫實(shí)驗(yàn)中電子既可以通過上縫，也可以通過下縫）。同樣電子2 即可能上旋，也可能下旋. 兩個(gè)電子是不可區(qū)分的。
1.2. 系統(tǒng)總的旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量是0。如果沒有外界干擾，系統(tǒng)總的旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量是守恒的。無論系統(tǒng)怎樣演化，系統(tǒng)總的旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量應(yīng)該總是0。

2. 現(xiàn)在把這個(gè)系統(tǒng)的兩個(gè)電子分開，比如把一個(gè)留在北京，把另外一個(gè)送到海南島，同時(shí)保證外界對(duì)系統(tǒng)沒有干擾。
2.1. 這時(shí)你測(cè)量一個(gè)電子的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，假如我們把留在北京的電子看成是電子1。我們知道測(cè)量會(huì)造成波函數(shù)坍塌，如果測(cè)得的電子1是上旋，系統(tǒng)就變成了： 波函數(shù)= |電子1上旋> |電子2 下旋>
2.2. 為了維持系統(tǒng)的總的旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量是0，當(dāng)測(cè)到電子1是上旋時(shí)，我們就知道電子2一定是下旋的。可這時(shí)電子2遠(yuǎn)在海南島，我們也沒有測(cè)量電子2呀.
2.3. 本來電子2可以是上旋，也可以是下旋。你測(cè)量電子1時(shí)，在北京的電子和在海南島的電子2還糾纏
在一起成為一個(gè)系統(tǒng)，結(jié)果電子2的狀態(tài)也被改變了。這就是量子糾纏。
2.4. 更有意思的是： 電子2的改變是和電子1同時(shí)發(fā)生的。如果電子之間有信息傳遞的話，實(shí)驗(yàn)表明傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了光速（至少快4個(gè)數(shù)量級(jí)）?？晌覀冎栏鶕?jù)愛因斯坦的相對(duì)論理論，世界上不應(yīng)該存在超過光速的東西。

從上面的介紹，我們可以看到量子糾纏是量子理論中固有的現(xiàn)象。但這種超越時(shí)空的糾纏卻是有點(diǎn)瘋狂，超越了人類的固有邏輯和理性思維。量子糾纏的神奇之處就在于，相互糾纏的兩個(gè)粒子是一個(gè)系統(tǒng)，測(cè)量其中一個(gè)粒子就破壞了整個(gè)系統(tǒng)，可以超越時(shí)空去影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài)，盡管二者之間不存在任何作用力、沒有任何形式的信息相連，沒有任何方法可以彼此溝通。這真是詭異至極啊！所以量子糾纏也超過波粒二相性成為史上最怪、最不合理、最瘋狂、最荒謬的量子力學(xué)效應(yīng)。至今的試驗(yàn)證實(shí)了超越時(shí)空的量子糾纏確實(shí)是存在的！并且現(xiàn)在已經(jīng)開始應(yīng)用在量子通信中了。

量子糾纏和經(jīng)典糾纏有什么區(qū)別呢？ 既然從量子理論中可以看到糾纏是電子系統(tǒng)的固有的本性，難道愛因斯坦等人反對(duì)量子理論嗎？愛因斯坦也承認(rèn)糾纏態(tài)的粒子是存在的。但他認(rèn)為量子理論中波函數(shù)的表達(dá)有問題。他認(rèn)為這樣寫的波函數(shù)，波函數(shù)= |電子1上旋> |電子2 下旋> ， 數(shù)學(xué)上是不完備的。因?yàn)檫@樣寫等于兩個(gè)電子是能孤立分開的。而分開后的電子就不應(yīng)該再有超越時(shí)空的糾纏。如果把波函數(shù)改寫成不可孤立分開而是相互一直有糾纏的，比如有人提出隱變量理論，把波函數(shù)寫成這樣： 波函數(shù)= |電子1上旋> |電子2 下旋>|電子1和2關(guān)聯(lián)部分>

按照這樣的波函數(shù)方式，愛因斯坦認(rèn)為電子糾纏是存在的。但是糾纏發(fā)生的機(jī)制是這樣的：一對(duì)糾纏態(tài)的粒子更像是一雙手套。想象把一雙手套分開放置于兩只箱子中，然后一只箱子交給你保管，另一只箱子則放置于南極洲，在你開箱以前就知道箱子里要么放著左手套要么放著右手套，兩個(gè)箱子的手套是配對(duì)的。然后你打開箱子，如果看見左手的手套，在這瞬間，就算沒人看過南極洲的箱子，你也能夠知道那里裝的是右手的手套。這一點(diǎn)也不神秘，你打開箱子，顯然不會(huì)影響到另一只箱子里的手套。你身邊的這只箱子裝著左手的手套，而南極洲的那只箱子則裝著右手的手套，這是在當(dāng)初分裝時(shí)就已決定了的。

看明白了嗎？愛因斯坦認(rèn)為所謂的糾纏態(tài)實(shí)際上經(jīng)典糾纏：電子的一切狀態(tài)在它們彼此分離的時(shí)候就已經(jīng)決定了。這就是所謂的決定論。我們現(xiàn)在總結(jié)一下愛因斯坦和波爾爭(zhēng)論的焦點(diǎn)： 首先大家都承認(rèn)有量子糾纏存在。 兩個(gè)人的根本差別在糾纏是怎么產(chǎn)生的（還是量子解釋問題）。

愛因斯坦不相信有遠(yuǎn)距離超越時(shí)空的鬼魅般的電子關(guān)聯(lián)，而認(rèn)為粒子在被觀測(cè)前就已經(jīng)決定了狀態(tài)。
波爾代表的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為在觀測(cè)以前兩個(gè)電子是一個(gè)關(guān)聯(lián)的整體，在觀測(cè)之前根本無法區(qū)分兩個(gè)電子。所謂的一個(gè)電子在北京，另外一個(gè)電子在海南本身就有問題，只有觀測(cè)后我們才能那樣說。由于整體系統(tǒng)是互相關(guān)聯(lián)的，所以糾纏中不存在信號(hào)傳遞問題，不需要事先決定。
現(xiàn)在就存在一個(gè)挑戰(zhàn)：我們?cè)鯓硬拍茯?yàn)證他們誰對(duì)誰錯(cuò)呢？ 當(dāng)然是靠物理實(shí)驗(yàn)！ 問題是他們討論的是波函數(shù)，而波函數(shù)不是可觀測(cè)量。而能觀測(cè)的糾纏結(jié)果，兩個(gè)人都是承認(rèn)的。 所以這個(gè)爭(zhēng)論持續(xù)了很多年也沒有答案。

3. 1964年約翰·貝爾研究了愛因斯坦的思想，根據(jù)愛因斯坦的理論做出了一個(gè)可試驗(yàn)驗(yàn)證的預(yù)言:如果愛因斯坦的理論成立實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)是什么樣的。1967年約翰-克勞澤讀了貝爾的論文后就決定把這個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)作自己的博士論文題目，試圖想推翻量子力學(xué)理論，證明愛因斯坦是正確的（因?yàn)閻垡蛩固沟挠^點(diǎn)符合我們的經(jīng)驗(yàn)法則）。經(jīng)過多年反復(fù)重復(fù)和改進(jìn)自己的實(shí)驗(yàn)，他得到的結(jié)論是：“我再次為自己沒能推翻量子力學(xué)而感到難過，因?yàn)闊o論是在當(dāng)時(shí)還是現(xiàn)在，要我理解量子力學(xué)都是很困難的?！?/span>

4. 幾點(diǎn)結(jié)論：
4.1. 量子糾纏，是量子力學(xué)里最古怪的東西。即使腦洞大開我們可能還是很難領(lǐng)會(huì)它，我們只能說，世界就是如此運(yùn)作的，接受這個(gè)結(jié)果吧。
4.2. 量子力學(xué)是非定域的，這在物理界基本上是公認(rèn)的結(jié)論。至于這結(jié)論背后是不是真的隱藏著超光速，人們?nèi)匀徊荒艽_定，盡管它表面上看起來似乎是一種類似的效應(yīng)。量子力學(xué)非定域性的認(rèn)可，并不等于相對(duì)
論被推翻，相反，相對(duì)論和量子論兩者至今仍然是我們所能依賴的最可靠的理論基石。
4.3. 量子糾纏確實(shí)挑戰(zhàn)了我們傳統(tǒng)理解的因果關(guān)系。通常我們認(rèn)為有因果關(guān)聯(lián)的兩個(gè)事件A，B一定有時(shí)間順序。原因A事件一定要發(fā)生在結(jié)果B之后。而在量子過程中，我們看到事件不會(huì)按照這樣的確定順序發(fā)生，A可以有時(shí)在B后面，或者A，B同時(shí)發(fā)生。這種反直覺的現(xiàn)象被稱為“因果不可分離性”（causal nonseparability）。哥本哈根學(xué)派認(rèn)為微觀量子體系中在被觀測(cè)記錄之前本來就沒有什么事件A或者B，沒有確定的過去或未來，所以也就沒有傳統(tǒng)的因果律的問題。

5. 討論：
5.1. 至今的量子理論和實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了哥本哈根派的理論：在觀測(cè)之前我們無法討論量子體系的宏觀物性，比如電子的位置（空間），時(shí)間?；蛘哒f如果沒有觀測(cè)我們不能說有實(shí)體的電子存在。
5.2. 兩個(gè)電子，兩個(gè)光子可以發(fā)生量子糾纏，兩個(gè)人呢？ 如果兩個(gè)人腦里的神經(jīng)元可以糾纏的話，是不是就是所謂的心靈運(yùn)輸（Teleportation），心靈感應(yīng)（Telepathy）？

第六章：量子傳輸

為了說清楚量子傳輸?shù)脑?，先介紹一個(gè)量子理論原理：量子態(tài)不可克隆定理 （no-cloning theorem）: 一個(gè)未知的量子態(tài)是不可克隆的.這里說的量子態(tài)是指量子比特態(tài)(qubit：quantum bit), |ψ> = α|0> β|1> 所謂一個(gè)未知的量子態(tài)是指其中的α 和β的值是不知道的。

這樣的一個(gè)量子態(tài)是無法被截獲者探測(cè)和重復(fù)出來的。物理上是說你不可能做出一個(gè)數(shù)學(xué)變換，把這樣一個(gè)態(tài)重現(xiàn)（解密）出來?；旧峡梢赃@樣理解：你要獲得α 和β的值就要對(duì)這個(gè)量子態(tài)做測(cè)量，而一旦測(cè)量，這個(gè)態(tài)就會(huì)坍塌不存在了，也就無法重建。就像我們前面說過的，測(cè)量就像從多維空間投影到一維空間，你無法從一維空間的結(jié)果重建多維空間的狀態(tài)。

量子態(tài)不可克隆，這是在通訊中使用量子比特的極大優(yōu)越性。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)保證了量子密碼、量子通訊的安全性?？墒?，量子比特連復(fù)制都不行，如何傳輸呢？不能克隆沒關(guān)系，科學(xué)家總能想出一些竅門，發(fā)現(xiàn)用糾纏的粒子還是可以傳輸它們！這就是近年來非常熱門的所謂'量子隱形傳輸' （Quantum Teleportation）。量子隱形傳輸就是傳說中的量子通信。它是由一位IBM研究中心的研究員查爾斯·亨利·貝內(nèi)特在1993年最先提出來的。 量子通信的基本原理是，盡管量子態(tài)不可克隆，但在兩個(gè)互相糾纏的粒子之間傳遞,量子態(tài)就可以重建出來（解密）。這就是量子通信和加密的基本原理。

如上圖所示，圖中左邊的Alice，想要把量子態(tài)X傳給Bob。她利用糾纏光子對(duì)A和B，Alice擁有糾纏光子中的A，而Bob擁有B。糾纏光子A、B之間構(gòu)成量子通道，電話或是互聯(lián)網(wǎng)可作為經(jīng)典通道。首先，Alice對(duì)需要傳送的X和她手中的A作特定的測(cè)量，讓A變成一個(gè)新的量子態(tài)。測(cè)量后，X的量子態(tài)塌縮了，A也發(fā)生變化。因?yàn)锳和B互相糾纏，A的變化立即影響到B，B也發(fā)生變化。然而，Bob無法察覺B的變化，直到從經(jīng)典通道得到Alice傳來的信息。比如說，Alice在電話中將測(cè)量結(jié)果告訴Bob。然后，Bob對(duì)B進(jìn)行相應(yīng)的特定變換處理。這樣測(cè)量后B能夠成為和原來的X一模一樣。這個(gè)傳輸過程完成之后，X塌縮隱形了，X所有的信息都傳輸?shù)搅薆上，因而稱之為'量子隱形傳輸'。

實(shí)際上，在Alice用量子態(tài)X和糾纏光子A完成貝爾測(cè)量的那一霎那，X、A、B三者之間，已經(jīng)完成了'糾纏轉(zhuǎn)移'：原來不糾纏的X和A糾纏起來，X原來量子態(tài)的信息，已經(jīng)轉(zhuǎn)移到B。從數(shù)學(xué)上可以證明，對(duì)B做特定測(cè)量時(shí)，B的量子態(tài)就可以變成X。而實(shí)際上，Alice和Bob從始至終都對(duì)X上的這些信息一無所知，他們唯一所知道的只是： 最后，X和A成為糾纏單態(tài)，Bob的粒子有了原來X的所有性質(zhì)，隱形傳態(tài)完成了。

在量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)每個(gè)光子之間的時(shí)間差，做到兩個(gè)光子必須'同時(shí)'到達(dá)測(cè)量?jī)x器，對(duì)隱形傳態(tài)的成功與否至關(guān)重要。1997年，塞林格所領(lǐng)導(dǎo)的奧地利國(guó)際研究小組第一次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳輸。2004年，這個(gè)小組又利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子態(tài)隱形傳輸距離提高到600米。

總結(jié)： 量子傳輸需要 1） 糾纏的光子對(duì)； 2） 把量子對(duì)沒有破壞的分發(fā)到通信的兩段；3)經(jīng)典通道的配合。 現(xiàn)在產(chǎn)生糾纏光子對(duì)已經(jīng)沒有技術(shù)困難。 最近中國(guó)的墨子號(hào)量子通信衛(wèi)星是對(duì)糾纏光子對(duì)傳輸做試驗(yàn)驗(yàn)證。這是實(shí)現(xiàn)量子通信的關(guān)鍵一步。

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(2016-06-10)