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第138章 簇态量子计算

精星灵,曰:“质疑。随着科技进步,20世纪80年代以来,有声音开始指出该定律并不是万能的。”

日本名古屋大学教授小泽正直在2003年提出“小泽不等式”,认为“测不准原理”可能有其缺陷所在。

为此,其科研团队对与构成原子的中子“自转”倾向相关的两个值进行了精密测量,并成功测出超过所谓“极限”的两个值的精度,使得小泽不等式获得成立,同时也证明了与“测不准原理”之间存在矛盾。

月净威,哈佛大学科学家,道:“小泽不等式及其验证。日本名古屋大学教授小泽正直和奥地利维也纳工科大学副教授长谷川祐司的科研团队通过实验发现,发现了什么样的结果呢?”

大约在80年前提出的用来解释微观世界中量子力学的基本定律“测不准原理”有其缺陷所在。

该发现,在全世界尚属首次。

这个发现成果,被称作是应面向高速密码通信技术应用和教科书改换的形势所迫,于2012年1月15日在英国科学杂志《自然物理学》(电子版)上发表。

精星灵,曰:“弱测量技术。多伦多大学(the University of Toronto)量子光学研究小组的李·罗泽马(Lee Rozema)设计了一种测量物理性质的仪器,其研究成果发表在2012年9月7日当周的《物理评论通讯》(Physical Review Letters)周刊上。为了达到这个目标,需要在光子进入仪器前进行测量,但是这个过程也会造成干扰。为了解决这个问题,罗泽马及其同事使用一种弱测量技术(weak measurement),让所测对象受到的干扰微乎其微,每个光子进入仪器前,研究人员对其弱测量,然后再用仪器测量,之后对比两个结果。发现造成的干扰不像海森贝格原理中推断的那么大。这一发现是对海森贝格理论的挑战。2010年,澳大利亚格里菲斯大学(Griffith University)科学家伦德(A.P. Lund)和怀斯曼(Howard Wiseman)发现弱测量可以应用于测量量子体系,然而还需要一个微型量子计算机,但这种计算机很难生产出来。”

罗泽马的实验包括应用弱测量和通过“簇态量子计算”技术简化量子计算过程,把这两者结合,找到了在实验室测试伦德和怀斯曼观点的方法。

月净威,哈佛大学科学家,道:“现代不等式。1926年,海森堡任聘为哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的讲师,帮尼尔斯·玻尔做研究。在那里,海森堡表述出不确定性原理,从而为后来知名为哥本哈根诠释奠定了的坚固的基础。海森堡证明,对易关系可以推导出不确定性,或者,使用玻尔的术语,互补性:不能同时观测任意两个不对易的变量;更准确地知道其中一个变量,则必定更不准确地知道另外一个变量。”

精星灵,曰:“海森堡与玻尔共同讨论问题。在他著名的1927年论文里,海森堡写出以下公式这公式给出了任何位置测量所造成的最小无法避免的动量不确定值。虽然他提到,这公式可以从对易关系导引出来,他并没有写出相关数学理论,也没有给予和确切的定义。他只给出了几个案例(高斯波包)的合理估算。在海森堡的芝加哥讲义里,他又进一步改善了这关系式:1927年厄尔·肯纳德(Earl Kennard)首先证明了现代不等式:其中,是位置标准差,是动量标准差,是约化普朗克常数。1929年,霍华德·罗伯森(Howard Robertson)给出怎样从对易关系求出不确定关系式。”

月净威,哈佛大学科学家,道:“名称。”

有很久一段时间,不确定性原理被称为“测不准原理”,但实际而言,对于类波系统内秉的性质,不确定性原理与测量准确不准确并没有直接关系(请查阅本条目稍前关于观察者效应的内容),因此,该译名并未正确表达出这原理的内涵。

另外,英语称此原理为“Uncertainty Principle”,直译为“不确定性原理”,并没有“测不准原理”这种说法,其他语言与英语的情况类似,除中文外,并无“测不准原理”一词。

现今,在中国大陆的教科书中,该原理的正式译名也已改为“不确定性原理”。

精星灵,曰:“理论背景。”

海森伯在创立矩阵力学时,对形象化的图象采取否定态度。

但他在表述中仍然需要使用“坐标”、“速度”之类的词汇,当然这些词汇已经不再等同于经典理论中的那些词汇。

可是,究竟应该怎样理解,这些词汇新的物理意义呢?

海森伯抓住云室实验中,观察电子径迹的问题进行思考。

他试图用矩阵力学为电子径迹作出数学表述,可是没有成功。

这使海森伯,陷入困境。

他反复考虑,意识到关键在于电子轨道的提法本身有问题。

人们看到的径迹并不是电子的真正轨道,而是水滴串形成的雾迹,水滴远比电子大,所以人们也许只能观察到一系列电子的不确定的位置,而不是电子的准确轨道。

因此,在量子力学中,一个电子只能以一定的不确定性处于某一位置,同时也只能以一定的不确定性具有某一速度。

可以把这些不确定性限制在最小的范围内,但不能等于零。

这就是海森伯,对不确定性最初的思考。

据海森伯晚年回忆,爱因斯坦1926年的一次谈话启发了他。

爱因斯坦和海森伯讨论可不可以考虑电子轨道时,曾质问过海森伯:“难道说你是认真相信只有可观察量才应当进入物理理论吗?”

对此,有什么样的答复?

对此,海森伯答复说:“你处理相对论不正是这样的吗?你曾强调过绝对时间是不许可的,仅仅是因为绝对时间是不能被观察的。”

爱因斯坦承认这一点,但是又说:“一个人把实际观察到的东西记在心里,会有启发性帮助的……在原则上试图单靠可观察量来建立理论,那是完全错误的。实际上恰恰相反,是理论决定我们能够观察到的东西……只有理论,即只有关于自然规律的知识,才能使我们从感觉印象推论出基本现象。”

月净威,哈佛大学科学家,道:“海森伯。”

海森伯,在1927年的论文一开头就说:“如果谁想要阐明‘一个物体的位置’(例如一个电子的位置)这个短语的意义,那么他就要描述一个能够测量‘电子位置’的实验,否则这个短语就根本没有意义。”

海森伯在谈到诸如位置与动量,或能量与时间这样一些正则共轭量的不确定关系时,说:“这种不确定性正是量子力学中出现统计关系的根本原因。”

精星灵,曰:“与玻尔的辩论。”

海森伯的测不准原理,得到了玻尔的支持,但玻尔不同意他的推理方式,认为他建立测不准关系所用的基本概念有问题。

双方,发生过激烈的争论。

玻尔的观点是测不准关系的基础在于波粒二象性,他说:“这才是问题的核心。”

而海森伯说:“我们已经有了一个贯彻一致的数学推理方式,它把观察到的一切告诉了人们。在自然界中没有什么东西是这个数学推理方式不能描述的。”

玻尔则说:“完备的物理解释应当绝对地高于数学形式体系。”

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