量子物理学——第16节-GHZ定理-继续

引言:“哥本哈根解释”主要基于玻尔和海森堡的互补原理、不确定性原理和波函数坍缩。一旦被大多数人接受，它就一直被誉为“正统解释”。

石头爆炸后，三个孙悟空向不同的方向飞了出去。他们相距甚远，分别被三个神仙抓住了。“遥远”的意思是他们之间没有交换信息的可能。在每一个孙悟空被抓之前，他只知道抓他的神仙是用他的左眼还是右眼，而不知道其他神仙用的是哪只眼睛。然而，根据量子力学计算的结果，三个猴王似乎能够在最后时刻协调行动，使得神仙发光的结果总是符合两个规则。

如前所述，在理解了“量子猴王”遵循的两条规则后，玉帝做出了如下假设:所谓的“量子猴王”也可能并不神秘。他们之所以能在很远的距离上保持密切的联系，并不是因为他们有任何超越距离的心灵感应，而是因为三个孙悟空在分离的时刻有了一个时间表。表中给出了孙悟空被神抓住时的动作指令。

如果你仔细看一下上节课结束时给出的教学清单，你会发现清单可以符合规则1，但不能符合规则2。下面的例子正好相反:可以遵守规则2，但不能遵守规则1。

为了大家的方便，在这里，我将简单地重复两个规则:

规则1:如果一个仙女用她的左眼看，另两个用她的右眼看，那么会有1到3个脑袋闪闪发光。

规则2:如果三个仙人都用左眼看，那么0或2个头会发光。

玉帝想，不管怎样，现在的任务是找到这样一张桌子，让三个孙悟空(经典)按照桌子上的指示行事，这样规则1和规则2都能得到满足。这样，我们能不能不解释量子力学，也就是三个所谓“量子猴王”奇怪行为的原因？换句话说，这种情况可能正是爱因斯坦所期望的:“量子孙悟空”实际上和“经典孙悟空”一样，只要有那块手表！呃，玉帝不是在寻找爱因斯坦假设存在的“局部隐变量”吗？

约定表确实类似于本地化的隐藏变量。问题是，这样的指令表存在吗？

幸运的是，这个问题并不难，我们可以快速研究所有可能的指令列表。因为每个指令表中只有6个单元，所以每个单元要么有蓝点，要么没有蓝点。因此，可能的指令表的数量仅等于26=64。总共只有64种可能的约定！

玉帝的计算官员很快检查了64种协议形式。他们首先使用规则1，发现大多数合同表不能满足规则1。只有下图中的8个表符合规则1:

现在，剩下的问题是使用第二个规则来检查8个指令列表。第一，不，第二，第三...，形势不容乐观。检查结果显示，8个指令列表中没有一个符合规则2！

玉帝有点糊涂了。这是怎么回事？也就是说，没有这样的预先设置的协议表，可以用来设置三个孙悟空的动作指令，使他们可以根据神仙观察时的指令来调整金箍棒的旋转方向，使结果符合规则1和规则2。然而，量子猴王的行为可以很好地符合这两个规则！对此似乎只有一个解释:量子猴王的行为不符合爱因斯坦在电子顺磁共振论文中对局域实在论的定义。他们似乎总能在最后一刻以高度合作的方式行动。为什么我们能以如此高度协调的方式行动？如果这个推论继续下去，玉帝不禁感到一阵寒意，因为似乎有某种效果超越了光速。玉帝记得爱因斯坦的相对论中有一条光速不能超过。爱因斯坦警告说:“如果量子力学是正确的，这个世界有点疯狂！”作为世界最高管理者，玉帝不喜欢这个疯狂的世界。

但是现在看来，经典的局部化隐变量理论无法解释三量子孙悟空的行为。当三个孙悟空被抓到“很远”的时候，他们似乎不仅知道用哪只眼睛去抓他们自己的神仙，而且知道用哪只眼睛去观察另外两个神仙。否则，他们不可能总是表现出如此高度的合作。

事实上，上述结论在许多年前贝尔定理及其实验证明之后已经是既成事实。然而，这是一个非常重要的问题。此外，贝尔的理论和不等式过于复杂，玉帝无法理解和认同。这一次GHZ定理太直观了。它不需要不等式或统计方法，但它也给出了与局部实在论不相容的结果。玉皇大帝不得不冷静下来，分析严峻的形势，立即想到最后一根稻草:这两条规则只来自量子力学理论。如果量子力学理论是错误的呢？那么所有的问题都不会存在。因此，尽管GHZ等人的文章是正确的，但仍需要通过实验来验证。当然，玉帝也知道，总的来说，量子力学的理论已经被实验验证了几十年甚至近一百年。无论如何，等待另一个实验！

1996年，一个中国青年来到奥地利维也纳，这个音乐王国和许多著名音乐大师的故乡。然而，年轻的学生潘剑伟并没有跟随约翰·施特劳斯创作《蓝色多瑙河》的脚步，而是跟随伟大的物理学家、量子力学创始人之一埃尔温·薛定谔的脚步，像一座巨大的博物馆一样大步走进了雄伟美丽的维也纳大学校园。

维也纳大学是现存最古老的德语大学。优雅古典的文化氛围和独特的自然风光造就了无数名人，包括20多位诺贝尔奖获得者。在中国科技大学攻读学士和硕士学位时，潘剑伟对量子力学的基本理论问题感兴趣，并爱上了理论物理。在维也纳大学攻读博士学位时，他向塞林格学习，塞林格是一位站在世界前沿的物理学家。在短短的几年里，他在量子信息传输领域取得了一系列惊人的成就。

2000年，潘剑伟等人在《自然》杂志上发表了一篇文章，首次成功地利用三粒子的纠缠态实现了GHZ定理的实验验证。此外，在此期间，潘剑伟和塞林格的团队还在量子隐形传态方面取得了一系列重大突破。后来，潘剑伟对量子信息学科的未来发展有了敏锐的洞察力。他以老一辈科学家为榜样，回到祖国，在母校中国科技大学和郭广灿院士那里走出了自己独特的研究道路。近年来，他们在量子隐形传态方面的新成就令人鼓舞，好消息经常被报道。这是一个附言，我们将在最后一节讨论。

2011年，由于潘剑伟的杰出表现，他在41岁时被选为中国科学院最年轻的院士。

让我们回到GHZ定理、贝尔定理等的哲学意义。

面对一次又一次的实验验证，玉帝束手无策。事实证明，世界上存在着爱因斯坦无法理解的“幽灵般的行为”。想想爱因斯坦，如果量子理论是正确的，这个世界有点疯狂！对此，GHZ的格林伯格说:“这个世界真的很疯狂！”。然而，玉帝看到了很多东西，也有很多其他的把戏。他认为量子力学可能是对的。人们似乎因为解释的问题而感到疯狂。量子理论应该如何解释？玉帝研究了各种各样的解释，似乎都不尽如人意。然而，他认为一个理论有如此多的解释，这在世界知识界超越了量子理论。因此，他列举了几个有大量支持者的主要解释，供世界参考。

哥本哈根解释主要基于玻尔和海森堡的互补原理、测不准原理和波函数坍缩。一旦被大多数人接受，它就一直被誉为“正统解释”。这也是本系列文章采用的基本观点。

“多世界解释”，多世界解释，简称MWI。1957年，休·艾弗雷特三世提出测量带来的不是波函数的崩溃，而是分裂成无限平行的宇宙。每个宇宙都有一个确定的状态，而我们只是特定宇宙中的一个。从表面上看，优点是:薛定谔方程总是成立的，波函数不会崩溃，简化了基本理论。但它带来了一个奇怪的结论，即它不断分裂成无数平行的宇宙。

“综合解释”包括布洛欣采夫的综合解释和波普尔的倾向性解释。大多数人认为它与哥本哈根的解释基本一致，但它只承认量子力学的统计解释，并认为量子力学不能描述单个粒子本身的状态，而只能描述统计系综的状态。

“隐藏变量的解释”，德布罗意-波姆的隐藏函数理论值得探索，因为它似乎恢复了世界的良好秩序。但是贝尔定理和GHZ定理排除了局部隐变量的存在。非本地化的隐藏变量是否能够存在仍然是未知的。

“事务解释”，量子机制的事务解释，TiQM，由Cramer在1986年提出。量子相互作用被描述为驻波，由两种波组成:延迟波(沿时间传播)和高级波(逆时间传播)。据说它可以解决几个无法用其他解释来解释的量子悖论。

“量子退相干解释”很早就由玻姆提出，但直到20世纪80年代，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家沃伊契耶赫·休伯特·祖瑞克才完善并建立了它，并引起了越来越多的关注。

物理学家总是期望找到更好的量子理论解释。也许这将是量子理论未来发展中最重要的理论问题。