爱因斯坦的幽灵 －－量子纠缠之谜

1. 爱因斯坦的幽灵 －－量子纠缠之谜 郭光灿 中国科学技术大学 中科院量子信息重点实验室

2. 合作者 高山 悉尼大学科学史与科学哲学系 在读博士生 研究方向： 量子力学基础

3. 目 录 二、失落的世界 三、迷雾重重 四、坍缩之路 五、超光速可能吗？ 六、纠缠的妙用 七、结束语 一、幽灵出世

4. 一、幽灵出世 • 经典关联：伯特先生的袜子

5. 一、幽灵出世 • 弹子球游戏：

6. 加上微型机 令其关联 Y Y Y Y 电磁屏中断经典纠缠 （空间缝隙） 一、幽灵出世

7. 一、幽灵出世 无屏蔽的相互作用：例如引力波发－收器。 引力波传递速度为光速，导致再波未到之前，两个小球仍相互独立，即时间缝隙。 现实世界的经典纠缠受限于“空间缝隙”和“时间缝隙”

8. 一、幽灵出世 宇宙不仅比我们想象的奇怪，而且比我们能够想象的还奇怪！ －－爱尔顿 1935年5月，爱因斯坦（E）、波多尔斯基（P）和罗森（R）在“物理评论”上发表著名的EPR论文，打开了通向神秘的量子纠缠世界的大门：超越时空的无缝纠缠！

9. 一、幽灵出世 EPR论文： 两个电子经过一定的相互作用后分开，它们的速度之间和位置之间存在下述关联：两个电子的速度总是大小相等、方向相反，而它们之间的距离随时间按一定规律增加。

10. （相互作用后1秒钟） 两个电子之间的距离在任何情况下是确定的 （ ＝2M）,但每个电子的位置确是随机、不确 定的。即便同时测量两个电子的位置也是如此。 -1.59m ＝2m +0.41m ＝2m -0.17m +1.83m 一、幽灵出世

11. V1＝-1.12m/s V1＝+1.12m/s 0 V1＝-0.91m/s V1＝+0.91m/s 一、幽灵出世 两个电子的速度测量值总是大小相等，方向 相反，但其数值则是随机的，两个电子存在着： 随机相关性

12. 一、幽灵出世 电子速度测量值的相关性似乎与电子位置测量值的相关性矛盾：如：一秒后测量一次电子的速度，结果是大小相等，方向相反，但两个电子离开初始位置的距离竟然各不相同。根源来自： 电子之间存在某种 超越时空的紧密纠缠！

13. B A A B 总自旋为零 一、幽灵出世 EPR效应 玻姆表述：A、B为自旋1/2的粒子，初始总自旋为零。

14. 一、幽灵出世 每个粒子的任意方向上测量自旋、要么向上（＋1），要么向下（－1），随机的，但测量后只有一个值，若A被初测量得＋1，则B的值必定为-1,即便A、B同时测量也总是总自旋为零。

15. 一、幽灵出世 两电子即便在空间上分开，仍然不是独立的，而是彼此关联的，这种非局域特性称为EPR效应。 这种随机相关性，① 与粒子之间的距离无关；② 可以同时测量，也可延迟测量，即超光速的；③与空间环境无关，电磁屏蔽、引力屏蔽等都无法阻挡它们的关联。

16. 一、幽灵出世 微观粒子之间的存在某种超越时空的量子纠缠，而基于这种纠缠，对某个粒子的作用将会瞬时地影响另个粒子。 爱因斯坦称为： 幽灵般的超距作用

17. 一、幽灵出世 爱因斯坦：并认为这种现象是绝不会出现的，问题源于“量子力学是不完备的”。 波尔：量子世界是非局域的，这个超距离作用必定存在，量子力学是完备的。

18. 贝 尔

19. 一、幽灵出世 贝尔是欧洲核子研究中心的理论物理专家，专职于加速器设计和粒子物理研究，关于量子力学基本问题的研究只是他的业余爱好。自称是爱因斯坦的追随者。 贝尔推导出有关EPR实验的一个不等式，违背这个不等式“隐参数理论”就不成立。

20. 一、幽灵出世 贝尔定理：任何与量子力学具有相同预测的理论将不可避免地具有非局域特性。 两个相互纠缠的微观粒子存在这种非局域关联，对其中之一施加作用，另一个粒子瞬时“感应”到这种影响，并发生相应的状态变化，无论它们相距多远。

21. 一、幽灵出世 大量实验证明了贝尔定理。 一位杰出的普林斯顿物理学家说过：“不被贝尔定理困扰的人，脑袋里一定有石头”。另位物理学家作了分类： 类型1：为EPR及贝尔定理所困扰的物理学家。 类型2：未被困扰的： A.有自己的解释，但要么是完全不着边，要么是错误。 B.拒绝作任何解释。

22. 一、幽灵出世 量子纠缠的神秘性： （一）纠缠的主体是什么？究竟是谁在纠缠？ （二）纠缠是如何形成的？纠缠的形式究竟是怎样的： （三）纠缠能被解开吗？怎样才能解开纠缠？ （四）如何理解纠缠过程中存在的超距作用？它与相对论又如何结合呢？

23. 二、失落的世界 ●超距作用的实验漏洞有待修补 （A）局域性漏洞：关于纠缠粒子的异定测量存在相关性。 例如：测量时刻的间隔超过以光速传播的信号在两地之间的传播时间。→两地测量结果的相关性不必是超距作用。 （B）探测漏洞：指探测量器的粒子检测效率不高，总有一定比例的粒子检测不到。

24. 二、失落的世界 研究现状： 1998年．塞林格小组将两个纠缠光子分离了400米，即以光速传播信号需1.3微秒。而实验测量时间小于0.1微秒。消除了局域性漏洞，但存在探测漏洞。 2001年．Rowe等人的实验采用铂离子之间的量子纠缠，消除了探测漏洞。但两离子之间只有几微米，无法消除局域性漏洞。 目前尚未同时消除两个漏洞的实验报导。

25. 二、失落的世界 ●从牛顿到爱因斯坦，人们坚信存在着独立于观察的、确定性的实在世界。量子理论出现后，由它所描述的微观粒子一般不具有确定的性质，只有对这种性质进行测量后才能得到一个确定的测量值。 测量之前，不存在确定的、真实的世界！ 人类固有的天性会本能去反对这个虚无缥缈且摇摆不定的世界。

26. 二、失落的世界 1950年代初，爱因斯坦在普林斯顿的草坪上散步时，突然站住，问他的朋友派斯：“你是不是果真相信，月亮只有当我们注视它时才存在？” 在EPR论文中爱因斯坦试图证明量子理论不完备性。量子理论无权反对世界的实在性和确定性。于是引进隐参量来消除这种随机性和不确定性。 大量精确的实验已证实：超距作用的存在。爱因斯坦的多次努力最终归于失败。

27. 二、失落的世界 面对神秘的量子纠缠和“幽灵般的超距作用”，人们会感到脚下赖以支撑的经典土地突然间变得摇摆不定。无可奈何花落去！今天爱因斯坦心中的那个确定性经典世界已经成为一个失乐园。在我们要寻找的新世界中，不确定性、纠缠和超距将成为主角。

28. 三、迷雾重重 离开失乐园，我们已经无法回头：那么我们说纠缠电子的自旋在测量前是不确定的，这是什么意思呢？ 几乎所有人，包括意见完全相左的爱因斯坦和玻尔，都认定确定性的世界是唯一可能的真实世界！由此只有说：不存在真实的微观世界，那只是一个虚幻的海市蜃楼。果真如此吗？

29. 三、迷雾重重 首先查明纠缠者的真实身份。相互纠缠的电子究竟是什么？是具有波-粒两象性，令人捉摸不定的微观粒子。1927年9月在意大利科摩举行的纪念伏打逝世百年的国际物理学会会议上，玻尔公布了他的“互补性思想”：粒子图象和波动图象是对同一个量子实在的两种互补描述。当时大多数物理学家都赞同接受这个思想。

30. 三、迷雾重重 你要问：微观粒子究竟是粒子还是一列波呢？波尔的回答是：“一个电子是一个粒子还是一列波？这个问题量子力学中是没有意义的”。 人们应当问：一个电子或其他客体是表现得象一个粒子呢，还是象一列波？这个问题是可以回答的。

31. 三、迷雾重重 但只有你指定用来测量电子的仪器装置时才能回答。 更进一步，玻尔认为，没有量子世界，而只有一个抽象的物理学的描述;物理学的任务不是去发现自然究竟是怎样的，它只关心我们对自然能做何描述。”

32. 三、迷雾重重 在玻尔看来，根本不存在纠缠者，更不用说纠缠。 1935年5月EPR论文发表后，玻尔几乎放下手中的所有工作，甚至最后“睡在EPR问题上”。

33. 三、迷雾重重 同年10月，玻尔终于在《物理评论上》发表论文，但他的反驳并未击中EPR的要害。实际上，玻尔是坚决反对超距作用存在，他也从未提到过非局域性之类的东西。 他们的中心分歧点在于，爱因斯坦认为未测量时仍存在粒子的实在状态，玻尔坚持认为，一个物理量只有被测量之后才是实在。

34. 实在通行证

35. 三、迷雾重重 至于，非真实的微观世界如何能组合而产生实在的宏观世界呢？玻尔没有给予说明。

36. 四、坍缩之路 离开爱因斯坦的经典失乐园和玻尔的互补性泥潭，让我们进入一个全新的量子纠缠世界。

37. 四、坍缩之路 微观粒子具有波－粒二象性，其状态由波函数描述： 薛定谔的波函数 波恩 几率幅

38. 四、坍缩之路 • 几率幅， • 不确定性， • 动力学演化： 似波的性质，连续演化，可逆性

39. 四、坍缩之路 冯－诺伊曼的波包坍缩： 测量 提取信息 非连续，瞬时，不可逆的 以电子自旋为例，狄拉克符号

40. 四、坍缩之路 测量仪器与电子测量过程： 薛定谔方程

41. 四、坍缩之路 测量指获得确定性的结果， 上述纠缠态必将发生波包坍缩 冯－诺伊曼过程 “坍缩”解开了仪器与电子的纠缠，“谁”有资格作为测量者来坍缩？冯－诺伊曼认为“人的意志”

42. 四、坍缩之路 薛定谔猫

43. 四、坍缩之路 薛定谔猫佯谬涉及量子运动的宏观表现，佯谬来源于量子力学的规律无法解释宏观世界的存在。猫态如何坍缩为现实的确定性世界？ EPR佯谬要论证：波函数描述本身的不完备性； 猫态佯谬要论证：波函数演化过程的不完备性。 两者同样要说明：量子力学是不完备的，不能统一描述微观和宏观世界。前者在实验上基于Bell不等式违背而不被否定，后者仍未完全解决！

44. 四、坍缩之路 多世界理论 波函数不发生坍缩，能否获得确定性的世界？1957年普林斯顿大学的研究生艾弗雷特三世提出“多世界”解释。

45. 被测系统 测量仪器 观察者 四、坍缩之路 薛定谔方程 分支1 分支2 分支3 复合系统 叠加态

46. 四、坍缩之路 每个分支中有一个确定观察者，有一个确定读数的测量值。现实世界就是其中的一个分支世界。 可怕的后果是每发生一次测量，宇宙就分裂一次。

47. 四、坍缩之路 多世界论的严重问题，是违背波函数的波恩解释；每个分支世界测量几率都等于1。 1985年英国物理学家德义奇提出多世界差别表述： • 存在无限多个数目不变的世界，每次测量不同世界会出现差别。但这无限个分离世界如何精确同步呢？

48. 四、坍缩之路 • 1988年美国哲学家阿尔伯特和洛包又提出一种更极端的变种——多精神理论：客观世界只有一个，但观察者的主观精神世界则有无限多个，观察者的一个大脑中有有限多个精神，每个精神态对应于获得确定测量结果的一个自我。这其实是一种隐变量理论，在量子力学处引进观察者的精神态。

49. 四、坍缩之路 • 波包坍缩如何在标准量子力学框架内解释？有没有更深刻的物理原因？ 引力可能是导致波函数坍缩的根本原因。引力普遍存在，而且随物体尺度的增加而增强，而量子叠加恰好对于宏观尺度物体失效。

50. 四、坍缩之路 • 最早做此猜想的是美国费曼。早在上世纪60年代，他在书中写道“我想建议量子力学在大尺度上以及对大物体失效量可能的…。如果量子力学的失效与引力有关，我们或许可以期望这对于10-5克大小的质量会发生。”