​量子理论的两个基本原理

量子理论的两个基本原理

在物理学领域，量子理论是由一群著名物理学家在20世纪的头30年里建立的。量子理论描述了分子、原子和亚原子尺度上的一系列现象。

今天，量子理论的一些应用已经渗透到我们生活的方方面面，但我们对它的理解并不完整。许多量子现象似乎与常识或日常经验背道而驰，这不仅常常让大众觉得难以理解，也让物理学家和科学哲学家感到惊讶。

量子理论的一些反直觉现象与它的概率性质有关。通常，物理学家是不能对单个测量的实际结果进行预测的，只能判断物理系统的可能测量结果的概率。

非定域性

在量子物理学中，一个极具挑战的概念是非定域性（nonlocality）。非定域性是爱因斯坦（Albert Einstein）对量子物理学的概率性提出异议的一种回答。在1935年发表的一篇影响深远的论文中，爱因斯坦、波多尔斯基（Boris Podolsky）、罗森（Nathan Rosen）对量子理论的完备性提出了质疑。在这篇论文中，为了证明量子力学和定域性（locality）之间的冲突，他们提出了一个如今被称为EPR佯谬的思想实验。

这个思想实验产生了量子纠缠的概念，表明若想要合理化纠缠产生的某些非经典的相关性，遥远的量子系统必须能即刻交换信息，比如当测量纠缠系统中的一个粒子时，即便另一个粒子远在宇宙的另一端，测量结果似乎也会穿过空间，立即对其产生影响。然而根据狭义相对论，这是不可能的。

对此，他们的结论是，这个佯谬是由量子理论的不完备导致的，并认为这种不完备性可以通过定域隐变量来纠正，使量子物理学与经典物理学一样具有确定性。而这种被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”的纠缠现象，一直是量子理论测试的主要焦点，也已成为量子信息领域的基础。

1964年，英国物理学家贝尔（John Stewart Bell）重新审视了EPR的观点，提出了一种数学形式描述，证明了量子系统可以是非定域的。通过比较两个纠缠粒子的测量结果，他用贝尔定理表明，粒子之间的强相关性不可能用定义每个粒子各自属性的定域隐变量来解释，纠缠对中包含的信息必须在粒子间非定域共享。这种无法被任何定域理论再现的强相关性的属性，现在被称为贝尔非局域性。

2022年，阿斯佩（Alain Aspect）、克劳泽（John Clauser）和塞林格（Anton Zeilinger）就因在实验中观察到贝尔非定域性以及其他相关成就，而获得诺贝尔物理学奖。

互文性

另一个具有挑战性的想法则似乎指向了相反的方向，那就是互文性（contextuality）。互文性说的是，量子物体的测量结果取决于“与境”（context）。而与境指的是围绕一个事件的所有细节，它能为我们提供更多关于发生了什么以及如何发生的信息。

举例来说，当你去车库时，会看到停在那里的是一辆车，而不是一只羊驼。在停车位上停着一只羊驼是很不寻常的事，对吗？如果你住在大都市中，那么的确是这样；但如果你住在安第斯山脉的牧场上，可能就不会不寻常了。你所在的地方就是你的与境，它为一只羊驼停在车库里这一基本事件赋予了意义。

类似地，在物理学的测量中，这种互文性描述了观测的细节会如何或是否会影响被观测的内容。这意味着测量结果可能取决于我们如何进行测量，或者我们选择了什么样的测量组合。比如在测量粒子的特性时，与其认为这些特性具有固定的值，不如将它们视为语言中的单词，其含义可以根据与境而变化。

量子力学无法告诉我们，当我们没有在观测时，如电子等量子粒子都在做些什么。一个能提供更多信息的理论，或许能让我们对这些粒子在任何时候都在做什么有一个完整的了解，并且还能告诉我们可测量的量的值，比如动量或自旋，即使我们没有试图去测量它们。

经典的牛顿力学就是一个具有这些特征的理论。经典粒子有着具体的位置和速度，当我们没有在观测它们的时候，也知道它们在做什么。科学哲学家称这种特征为确定性，因为可测量的量是具有确定的值的。那么，量子力学中是否存在一个“确定的”理论？一个能告诉我们关于电子的一切的理论，并提供与量子力学实验相同的预测？

1967年，科亨（Simon Kochen）、施佩克尔（Ernst Specker）提出，一个量子系统不可能拥有能在所有的可能性下定义其所有属性值的隐变量。这在后来被称为科亨-施佩克尔定理，它表明一个可以用来描述量子粒子究竟在做什么（即使我们没有在观测）的理论，必定是互文的。换句话说，一个电子的速度和自旋的值，必须以某种方式取决于我们如何测量它们。

大约在同一时间，贝尔也发现了类似的结果，表示任何能再现量子物理学预测的隐变量理论都必须表现出互文性。

新研究

非定域性和互文性是随着量子理论一同出现的，但几十年来，它们各自独立发展。2014年，有科学家进行了一项与一个特殊案例有关的研究。他们在一个量子系统中，发现只能观察到非定域性和互文性的其中一种。这一发现后来被称为单配性（monogamy）。

科学家推测，非定域性和互文性是以不同方式观察到的相同的一般行为的不同面。然而，一项由中国和巴西科学家开展的研究表明，无论从理论上还是实验上，事实都并非如此。他们证明了这两种现象是可以在量子系统中同时观察到的。

这个几何图形表示实验中所有测量值之间的兼容关系。每个测量值由一个顶点表示。由边连接的顶点表示兼容的测量值。“观察者A”（红点）的两个测量值与“观察者B”（蓝点）的所有测量值兼容。B的测量值的兼容性在这里用浅蓝色的七边形表示。2×2的兼容测量集是联合兼容的。(图/Rafael Rabelo/UNICAMP)

这项新的研究明确地表明，量子物理学与经典物理学的两种不同的基本方式可以在同一系统中同时观察到，这与通常的看法相反。因此，非定域性和互文性显然不是同一现象的互补表现。

实际上，非定域性是量子加密的重要资源，而互文性是特定量子计算模型的基础。在同一系统中同时拥有两者的可能性，可以为新的量子信息处理和量子通信协议的发展铺平道路。

参考来源：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.040201

封面图/首图素材：Rafael Rabelo