以量子非局域性为基础的超光速通信

1935年Einstein根据自己对自然的理解提出了EPR论文,该文的局域性原则对应他的狭义相对论(SR)。文章坚持以超光速传送能量和信息的不可能性,否定体系分开为两个(Ⅰ和Ⅱ)之后会有一种超距作用的机制。1951年D.Bohm对EPR思维实验作了现代物理意义的陈述,称为Bohm自旋相关方案或自旋双值粒子系统,实际上启动了量子纠缠态研究,对EPR思维是一种推进。在此基础上。1965年J.Bell提出了后来称为Bell不等式的隐变量理论;而在1981年—1982年间A.Aspect做了多个精确实验,结果与Bell不等式不符,却与量子力学(QM)一致。Aspect实验在科学界引起震动,使物理学家J.Brown和P.Davies在英国广播公司(BBC)组织了一次对著名科学家的访谈。在采访J.Bell时他说,该不等式是分析EPR思维所产生的,这个思维说在EPR论文条件下不应存在超距作用,但那些条件却导致了QM所预期的奇特的相关性。Aspect实验结果是在预料之中的——QM从未错过,即使条件苛刻也不会错。这些实验无疑证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为,现在为克服理论上的困难,可以回到Lorentz和Poincarè;可以想像以太这种参考系存在,在其中事物可以比光快。Bell重复说想回到以太概念,因为从EPR论文可以看出,景象背后有某种东西比光快。EPR论文建基于SR之上,二者都否认超光速的可能性,这也就是SR与QM的根本矛盾。QM允许超光速存在,认清这一点对科学进步有重要意义。J.Bell于1990年去世,但他建立了不朽的功绩,Bell不等式成为科学史上最伟大的发现之一。几十年来所谓Bell型实验长盛不衰,双粒子奇异纠缠的距离从最早的15m多年后增大为144km,十分惊人。特别是在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为10~4c—10~7c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。可否说量子纠缠态必然引向超光速信号传送?研究表明"景象背后"的影响允许超光速通信。人们都承认实际上存在相互纠缠粒子之间的超光速信息传送是确定的事实,问题仅在于如何应用于人类相互交流和联系。EPR论文的错误对科学研究提供了深刻的教益,对量子纠缠态这种奇特物理相互作用的好奇是思考和探索的永不衰竭的原动力。量子纠缠态或许可以称为"第5种基本的物理相互作用";而所谓Bennett方案并非唯一的用量子纠缠作远距离通信的途径。     

论量子超光速性

A.Einstein对量子力学(QM)的反对态度从1926年开始显露,1935年与B.Podolsky、N.Rosen联合发表论文时达到顶点,而EPR论文后来是从反面促进了科学的发展。该文以狭义相对论(SR)为思想基础,而SR和EPR都否定超光速的可能性。但QM允许超光速存在,并与研究超光速的前提即QM非局域性一致。1985年John Bell说,Bell不等式是分析EPR推论的产物,该推论说在EPR文章条件下不应存在超距作用;但那些条件导致QM预示的奇特相关性。Aspect实验的结果是在预料之中的,因为QM从未错过,现在知道即使在苛刻的条件下它也不会错;可以肯定实验证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为在进退两难的处境下可以回到Lorentz和Poincarè,他们的以太是一种特惠参考系,在其中事物可以比光快。Bell指出正是EPR给出了超光速的预期。……1992年以来有多个超光速实验成功的报道,有的以量子隧穿为基础,有的利用经典物理现象(如消失波、反常色散)。而在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为104c～107c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。过去25年来,量子超光速性是笔者的主要研究课题之一。1985年我们提出了量子势垒的等效电路模型;1991年我们最早指出截止波导中消失波模有负相速(vp0)和负群速(vg0)现象,笔者的专著《截止波导理论导论》获全国优秀科技著作奖。2003年我们用同轴光子晶体进行实验并观测到阻带中的超光速群速,为(1.5～2.4)c。2005年我们提出广义信息速度(General Information Velocity,GIV)和在2010年提出量子超光速性(Quantum Super-luminality,QS)两个概念,并建议改造现有的高能粒子加速器以寻找和发现超光速奇异电子。本文则较深刻地讨论了QS的若干问题,涉及微观粒子的速度定义、EPR思维与超光速研究的关系、量子纠缠态作用速度、量子隧穿的超光速性、负波速、Casimir效应的超光速性。文中指出Sommerfeld-Brillouin波速理论的意义和不足,用实验例说明量子光学(QO)方法与经典物理概念结合运用是重要的。自2000年以来的负群速实验常以某金属(如铯、钾、铷)的原子蒸汽状态作为受试对象,充分利用激光的高科技特性和手段,从而使之成为具有典型QO特征的现代物理实验,因而极不同于经典性质的物理实验。负群速不仅是超光速的特殊形态,而且普遍具有下述特征:输入脉冲进入媒质前,出口处即呈现输出脉冲峰,因而与经典因果性不同。虽然关于QS的知识和发现是丰富的和生动的,并且极有启发性,但它并不正面和直接地回答"物质、能量、信息能否以超光速传送"的问题。设计巧妙而有说服力的实验仍是科学家们的基本任务。     

论量子超光速性

A.Einstein对量子力学(QM)的反对态度从1926年开始显露,1935年与B.Podolsky、N.Rosen联合发表论文时达到顶点,而EPR论文后来是从反面促进了科学的发展。该文以狭义相对论(SR)为思想基础,而SR和EPR都否定超光速的可能性。但QM允许超光速存在,并与研究超光速的前提即QM非局域性一致。1985年John Bell说,Bell不等式是分析EPR推论的产物,该推论说在EPR文章条件下不应存在超距作用;但那些条件导致QM预示的奇特相关性。Aspect实验的结果是在预料之中的,因为QM从未错过,现在知道即使在苛刻的条件下它也不会错;可以肯定实验证明了Einstein的观念站不住脚。Bell认为在进退两难的处境下可以回到Lorentz和Poincarè,他们的以太是一种特惠参考系,在其中事物可以比光快。Bell指出正是EPR给出了超光速的预期。……1992年以来有多个超光速实验成功的报道,有的以量子隧穿为基础,有的利用经典物理现象(如消失波、反常色散)。而在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为104c～107c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论。过去25年来,量子超光速性是笔者的主要研究课题之一。1985年我们提出了量子势垒的等效电路模型;1991年我们最早指出截止波导中消失波模有负相速(vp0)和负群速(vg0)现象,笔者的专著《截止波导理论导论》获全国优秀科技著作奖。2003年我们用同轴光子晶体进行实验并观测到阻带中的超光速群速,为(1.5～2.4)c。2005年我们提出广义信息速度(General Information Velocity,GIV)和在2010年提出量子超光速性(Quantum Super-luminality,QS)两个概念,并建议改造现有的高能粒子加速器以寻找和发现超光速奇异电子。本文则较深刻地讨论了QS的若干问题,涉及微观粒子的速度定义、EPR思维与超光速研究的关系、量子纠缠态作用速度、量子隧穿的超光速性、负波速、Casimir效应的超光速性。文中指出Sommerfeld-Brillouin波速理论的意义和不足,用实验例说明量子光学(QO)方法与经典物理概念结合运用是重要的。自2000年以来的负群速实验常以某金属(如铯、钾、铷)的原子蒸汽状态作为受试对象,充分利用激光的高科技特性和手段,从而使之成为具有典型QO特征的现代物理实验,因而极不同于经典性质的物理实验。负群速不仅是超光速的特殊形态,而且普遍具有下述特征:输入脉冲进入媒质前,出口处即呈现输出脉冲峰,因而与经典因果性不同。虽然关于QS的知识和发现是丰富的和生动的,并且极有启发性,但它并不正面和直接地回答"物质、能量、信息能否以超光速传送"的问题。设计巧妙而有说服力的实验仍是科学家们的基本任务。     

从EPR思维、Bell不等式到量子信息学

首先从科学传统发展 (特别是Bohr ,Bohm ,Bell,Aspect的工作 )上讨论了EPR思维 ,然后根据量子纠缠态方面的新实验作进一步阐述     

从EPR思维、Bell不等式到最子信息学

首先从科学传统发展(特别是Bohr,Bohm,Bell,Aspect的工作）上讨论了EPR思维，然后根据量子纠缠态方面的新实验作进一步阐述。     

量子态的非局域关联性

在普遍的两个自旋1/2粒子量子态下证明了局域实在论与量子力学是不相容的,推广了Hardy在两个粒子非最大纠缠态下关于Bell 定理的证明.通过纠缠态下广义量子不可克隆定理中的正交条件的转移证明了量子力学非局域关联性.     

EPR思维研究中的若干问题

论述了EPR论文提出的背景。回顾了1985年在BBC举行的科学讨论,并提出了今天仍需要做深入研究的有关问题。指出狭义相对论(SR)与EPR思维在思想体系方面的一致性,它们关系到合理的自然观和宇宙观的建立,而超光速的可能性问题成为它们与量子力学(QM)矛盾的焦点。叙述了与EPR思维直接相关的量子信息学的发展。认为应深入研究EPR才能消除神秘感。     

狭义相对论研究中的若干问题

量子力学(QM)在本质上具有非经典性、微观性和非局域性,故量子力学与狭义相对论(SR)在根本上不具有一致性。EPR论文集中代表了爱因斯坦对量子力学的不满和捍卫狭义相对论自然观的意图。虽然狭义相对论不允许超光速状态,但量子力学的非局域性表示出现超光速是可能的。实际上,超光速问题是狭义相对论与量子力学有尖锐矛盾的证明。对已有超光速实验作分类整理后指出,不少实验很象是一种量子行为,而这些实验是对狭义相对论和量子力学理论研究的激励。最后指出,对光子静质量虽已做过许多研究,仍有一些问题有待解决。     

两粒子非最大纠缠态的量子非局域性

利用Bell—CHSH(Clauser—Horne—Shimony—Holt)不等式研究两个自旋为1／2的原子所构成的量子态的量子非局域性，计算表明两个自旋为1／2的原子所构成的非最大纠缠态，它的量子非局域性与量子态之间的纠缠度和极角有关；而所构成的最大纠缠态的非局域性只与极角有关。     

量子纠缠与超光速量子通信

量子通信是经典通信和量子力学相结合的一门新兴交叉学科.在介绍量子纠缠特性的基础上,对量子隐形传态进行了探讨,提出了超光速量子通信的途径.     

贝尔不等式及其实验验证

阐述了关于量子力学完备性问题的争论和EPR论证、尤其重点讨论了贝乐不等式的建立及其与量子力学基本解释的关系，也较详尽地介绍了20世纪70年代以来贝尔不等式的实验验证情况（特别是奥地利因斯布鲁克小组的实验情况）。结果表明，贝尔不等式明显不成立，这一事实既体现了对量子力学完备性的支持，同时也反映出更深刻的科学含义，这些无论对量子力学的进一步发展，还是对未来的量子通信，都是具有重大意义的。     

Violation of a Bell-like inequality in single-neutron interferometry

Non-local correlations between spatially separated systems have been extensively discussed in the context of the Einstein, Podolsky and Rosen (EPR) paradox and Bell's inequalities. Many proposals and experiments designed to test hidden variable theories and the violation of Bell's inequalities have been reported; usually, these involve correlated photons, although recently an experiment was performed with (9)Be(+) ions. Nevertheless, it is of considerable interest to show that such correlations (arising from quantum mechanical entanglement) are not simply a peculiarity of photons. Here we measure correlations between two degrees of freedom (comprising spatial and spin components) of single neutrons; this removes the need for a source of entangled neutron pairs, which would present a considerable technical challenge. A Bell-like inequality is introduced to clarify the correlations that can arise between observables of otherwise independent degrees of freedom. We demonstrate the violation of this Bell-like inequality: our measured value is 2.051 +/- 0.019, clearly above the value of 2 predicted by classical hidden variable theories.     

定域隐变量理论的实验检验

<正> 一、历史上两种观点的争论量子力学的形式体系是完美的,它经受了半个多世纪的各种严格的实验检验,但是关于量子力学理论基础的解释,无论物理上还是哲学上都存在重大的原则分岐。假若把量子力学的形式体系彻底地贯彻到对现实物理世界的认识中去,那么势必导致与经典物理概念和传统哲学观念格格不入的新概念和新观点     

量子力学建立史上的三类重要实验分析

详细分析了与量子论的建立的三个过程，对应的三类重要而著名实验的背景、方法、现象和结论及其对量子论的验证。进一步说明量子力学是以实验为基础的重要理论及实验在理论建立过程中的重要作用。     

量子光源综述

量子密码通信是最近二十多年发展起来的一种新型通信技术,它利用量子特性来实现或增强通信的安全性。量子保密通信系统基于光量子信号的传输特性,因此如何获得稳定可靠的量子光源就成为实现量子保密通信的主要问题。文中介绍了量子通信中已有的几种光源(单光子光源、连续变量光源、纠缠态光源)的原理和相关实验,最后介绍了量子光源的应用,并对其前景进行了展望。     

量子关联研究综述

由EPR佯谬,薛定谔“猫态”等超越直观的纯量子现象产生的量子纠缠理论从其概念提出以来一直被人们认为既是量子理论最为重要的概念之一,也是在量子通讯中实现“稠密编码”和“隐形传态”的关键。然而,最近研究结果显示,量子纠缠并不能够完全解释量子关联所有特性。人们发现,除了纠缠以外,还存在对量子信息和量子计算具有极其重要意义的其它非经典关联,如量子失协是一个纯量子比特确定性量子计算机具有计算效率的原因。这说明,量子失协完全可以成为量子计算新的一种资源。文章介绍了非经典关联（包括量子纠缠）的基本概念及其度量方法,对量子失协在各类模型中表现出的量子关联特性进行分析和与量子纠缠,经典关联比较,从而体现出在各类量子体系中对量子失协进行研究的意义,同时引导理论和实验研究者去研究量子失协的潜在研究价值。     

两种典型的量子通信技术

量子通信是量子信息中的一个重要分支．而其中最典型的量子通信技术是量子隐形传态和量子密码通信．文章介绍了量子通信中量子叠加和量子纠缠的概念．并介绍两种量子通信技术的理论框架,同时也涉及了这个领域的实验研究进展．     

基于四粒子GHZ态的任意三粒子GHZ态量子隐形传送

量子隐形传态已成为量子信息学中的一个重要研究领域,笔者从节省量子纠缠资源的目的出发,通过极化分束器(PBS)将2个EPR对制备成单个四粒子GHZ纠缠态,并将此四粒子GHZ纠缠态作为量子信道,从而实现三粒子纠缠GHZ态的量子隐形传输.