纠缠的世界：量子信息和量子计算机的魅力 网上预览

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1、 Entangled World The Fascination of Quantum Information and Computation Jrgen Audretsch (Editor) 纠缠的世界： 量子信息与量子计算机的魅力 纠缠的世界： 量子信息与量子计算机的魅力 编著：德尤尔根奥璀兹 汉译：郑 中 目目 录录 译者序言译者序言 作者前言作者前言 1 观察量子世界观察量子世界I：基本现象与概念：基本现象与概念 1.1 引言引言 1.2 单缝衍射单缝衍射 1.3 原子光学原子光学 1.4 量子领域量子领域 1.5 量子测量量子测量 1.6 一种关于量子领域的理论一种关于量子领域的理论

2、 1.7 量子芝诺效应：如何停止动力学演化量子芝诺效应：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？量子论的交互作用何为真实？量子论的交互作用 参考文献参考文献 2 观察量子世界观察量子世界II：纠缠作用及其意义：纠缠作用及其意义 2.1 引言引言 2.2 复合系统与量子纠缠态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？隐变量：就是经典物理吗？ 2.5 贝尔不等式：经典物理的极限贝尔不等式

3、：经典物理的极限 2.6 窃听者被查觉：量子密码窃听者被查觉：量子密码 2.7 绵羊可克隆，光子不能绵羊可克隆，光子不能 2.8 部分与整体部分与整体 参考文献参考文献 3 波尔波尔-爱因斯坦争论与量子力学的基本问题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（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（爱因斯坦试图避免测不准关系与波尔的辩论（19271930） 3.3 EPR论据作为量子力学不完备性的直接证据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非局域性，纠缠作用与

4、背景独立性 参考文献参考文献 4 量子世界之旅量子世界之旅 4.1 迈入量子世界的第一步迈入量子世界的第一步 4.2 量子论的历史量子论的历史 4.3 致冷技术与原子激光致冷技术与原子激光 4.4 相干与纠缠相干与纠缠 4.5 量子世界中的新贵：量子计算机量子世界中的新贵：量子计算机 4.6 关于量子硬件的方法关于量子硬件的方法 4.7 基本问题与展望基本问题与展望 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 波粒二象性波粒二象性 5.2 量子界面量子界面 5.3 单光子光源单光子光源 章末备注章末备注 参考文献参考文献 6 量子信息量子信息

5、6.1 通向量子信息科学之路通向量子信息科学之路 6.2 量子信息科学基础量子信息科学基础 6.3 实验实现与进展实验实现与进展 6.4 总结总结 参考文献参考文献 7 量子计算机量子计算机-新一代超级计算机？新一代超级计算机？ 7.1 引言引言 7.2 量子信息量子信息 7.3 叠加与纠缠叠加与纠缠 7.4 量子计算机与复杂性量子计算机与复杂性 7.5 肖尔算法肖尔算法 7.6 还原为寻找周期的问题还原为寻找周期的问题 7.7 实现与展望实现与展望 7.8 文献文献 参考文献参考文献 8 退相干性与量子物理向经典物理的转变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经典物理

6、与量子物理 8.2 关于经典极限的神话故事关于经典极限的神话故事 8.3 测量过程的量子论测量过程的量子论 8.4 例子例子 8.5 什么源于这一切？什么源于这一切？ 参考文献参考文献 9 量子信息过程：梦想与实现量子信息过程：梦想与实现 9.1 计算-一种物理过程计算-一种物理过程 9.2 量子计算机如何工作？量子计算机如何工作？ 9.3 何种技术适合于量子处理器？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采用离子阱的量子计算机 9.5 单离子的量子信息处理单离子的量子信息处理 9.6 希拉克希拉克-左乐尔左乐尔CNOT门操作门操作 9.7 纠缠纠缠-离子的贝尔态离子的贝尔态

7、 9.8 调试量子处理器调试量子处理器 9.9 用用 3 个量子位处理：个量子位处理：GHZ态和态和W态态 9.10 传送量子信息传送量子信息-隐形传态隐形传态 9.11 面向更大的机器面向更大的机器-放大离子阱量子计算机放大离子阱量子计算机 9.12 未来未来 参考文献参考文献 10 量子论：对哲学的挑战！量子论：对哲学的挑战！ 10.1 对自然哲学家的挑战对自然哲学家的挑战 10.2 认识论透视认识论透视 10.3 哲学的机遇哲学的机遇 10.4 科学实在论与日常实在论科学实在论与日常实在论 参考文献参考文献 索索 引引 评评 论论 “每章的作者都是相应领域的专家，他们对思想给出权威的阐释

8、。 ” -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 简简 介介 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？何谓量子纠缠？量子可克隆吗？量子 密码术的基本原理如何？量子计算机原理如何？大脑内量子如何退相干？在经典世界与量 子力学的过渡领域中发生了什么呢？量子论对自然哲学提出什么挑战？现在， 本书以一种深 入浅出的方式，回答了众多令人兴奋的问题，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

9、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。本书作了较系统探讨和阐释，引人入胜，且带有丰富的插图，适合于一般大学生、研究 生、自然哲学家，以及其它感兴趣的大众阅读。 译者简介 译者简介 郑中，生于 1979 年，四川隆昌人，理学硕士、工程师。本科就读于成都理工大学资源 经济系，2002 年考入中国科学院地球化学研究所，毕业后在矿业公司和资源规划院工作过， 现从事矿业工作。 译者博客： 作者前言作者前言 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

10、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 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” （德语中叫作“Wirkungsquantum” ，意思是“作 用量子” （action quantum） ） 。这意味着 h： Ehv 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： 2 Emc 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起来。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

11、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。 过哪条路？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

12、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-但它大部分仍保持着一种未知状态，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

13、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 于量子论的旧有思想实验在实验上已变得可行， 并已导致全新的洞察。 旧有的基本问题仍长 期保持着-比如关于测量过程物理-终于获

14、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欢快的大气圈科学系， 几乎没一个星期不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”

15、的演讲。 类似前面章节2，本书中报道有关研究的学者已积极参与其中。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

16、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。 纠缠的很多特征的主题，现在逐渐进入中学二年级上游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 2 观察量子世界观察量子世界 II：纠缠作用及其意义：纠缠作用及其意义 尤尔根奥璀兹（Jrgen Audretsch） 2.1 引言引言 在“观测量子世界”的第二部分中讲的是量子复合系统。它们的状态可能是纠缠的。这 是大量新的典型量子物理现象的基础。 我们打算选择其中几种令人感兴趣的现象， 来揭示可 能的应用前景。 在 2.2 节中介绍了纠缠的概念，并结合 EPR 关联作了描述。在 2.