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发信人: hailong (hi), 信区: Physics
标  题: 量子计算机专题(七)(转寄)(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (2000年12月16日22:10:54 星期六), 转信

【以下文字转载自 hailong 的信箱】
【原文由 duyan.bbs@smth.org 所发表】
发信人: MythAge (神…如风…心), 信区: Science
标  题: 量子计算机专题(七)
发信站: BBS 水木清华站 (Wed Dec 13 17:56:04 2000)

发信人: JPine (JPine), 信区: Physics
标  题: 量子计算机专题(七)
发信站: 武汉白云黄鹤站 (Mon Nov 27 18:44:14 2000), 转信

从量子理论的基本问题到量子信息研究的前沿
　
在当代自然科学的发展中，以量子力学为代表的基本物理学理论不仅在认识客观物质世
界方面发挥了根本性的奠基作用，而且导致了一系列重大的高新技术变革，深刻地影响
人类社会的物质生活,如激光的发明和半导体的应用。然而，我们也应当正视这样一个现
实：自本世纪二十年代量子力学建立以来，人们对其中的基本问题的激烈争论却从未停
止，如爱因斯坦等人提出的EPR非定域性佯谬和量子测量理论的"薛定愕猫”。量子理论
的开创者之一、丹麦物理学家尼尔斯.玻尔曾风趣地说:"任何能思考量子力学而又没有被
搞得头晕目眩的人都没有真正理解量子力学。”
|u>=a|0>+b|1>|
量子力学是在这些思想的交锋中不断发展和进步的；由此展示的一系列违反经典常识的
效应（如量子非定域和量子相干性），不仅被实验一次又一次地证实，而且目前有可能
大规模地应用到信息科学：利用量子力学的奇妙特性，在提高信息运算速度、增大信息
存储容量和保正信息通讯安全等方面，突破现有的经典信息系统的极限,引起信息技术的
革命。量子力学与信息科学相结合发展起来的量子计算机和量子通讯(包括量子密码术)
，近年来已在理论和实验研究上取得一些突破性进展，在相当大的程度上引起科学界、
信息产业界乃至各国政府的重视。

量子计算机

量子相干性

量子测量与退相干

退相干的量子力学

量子关联

量子通讯&量子隐形远程传态
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问题与前景
量子退相干效应和相关的量子退纠缠对量子计算和量子通讯过程的影响是相当复杂的。
不同的模型、不同的温度以及不同的作用强度都会产生不同的效果。选择适当的量子系
统作为量子计算机和量子通讯的载体,并使之在复杂的情况下有效地工作, 是一件十分艰
巨的任务。这不仅需要从基本物理学的角度,重新分析具有实际应用的量子测量问题和环
境对量子系统作用的复杂性,而且要从计算机数学和通讯编码的角度深入了解量子退相干
过程。可以说,量子算法，量子通讯编码和相应量子系统的物理实现是量子信息这一新兴
科学领域的中心。围绕着这个中心, 除了传统的信息科学理论和实践,还需要数论、组合
数学、理论物理、量子光学和凝聚态物理等诸多学科分支的协作研究。在这些研究和探
索中, 理论工作只是必要的第一步,实验中模拟和实现具体的量子信息过程才是研究的主
要目标。
勿容讳言, 正如从图灵理论计算机到第一台电子计算机的诞生的过程一样, 从目前量子
信息的基础研究到最终实现有实际用途的量子计算机和量子通讯, 还需要相当长的时间
。由于量子信息问题涉及到物质深层次的复杂性质以及物理学和信息科学的根本性问题
;信息提取宏观过程的不可逆性, 到最终实现实用的量子计算机和量子通讯的过程会更长
、更艰巨。虽然量子信息的实验和理论研究已经形成高潮,但也要严肃、冷静地以长距离
眼光看待目前的研究热点。切不要急功近利,完全以短线的实用目的对待这一重要的基础
研究工作。最终实现的量子计算机和量子通讯也许会与今天的量子信息基础问题的设想
有很大的差异,但目前量子信息的研究至少可以从基本物理学的角度加深人们对信息本质
的认识。事实上,从科技发展的历程中不难看出，科学和技术有着内在的互动关系。对
科学真理的非功利追求也常常导致新技术的变革，深刻地影响人类的社会生活。从爱因
斯坦的狭义相对论到原子能的广泛应用, 从量子力学到激光、半导体的发明, 都是这方
面的典型例证。我们希望,量子计算机和量子通讯的最终实现, 会为这个观点提供更有
说服力的、更具发展潜能
和更有实际用途的新的范例。
----------------------------------------------------------------------------
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量子计算机
1982年，美国著名物理学家R.Feynman首次提出了把量子力学和计算机结合起来的可
能性。接着在1985年，英国牛津大学的D.Deutsch初步阐述了量子计算机的概念，并且指
出了量子计算机可能比经典图灵计算机具有更强大的功能。由于当时没有可以操作的实
例进一步显示量子计算机在解决具体问题时的实际功效，量子计算机的发展在很长的时
间里始终徘徊不前。直到1995年提出了大数因子化量子算法、并原则上表明它可以在冷
却离子系统中实现，量子计算机的研究才变成物理学家、计算机专家和数论学家共同关
心的重大交叉科研领域。量子计算机的出现，并不是要在通常的计算问题中取代传统的
电子计算机,而是要针对特定的问题，完成经典计算机难以胜任的高难度计算工作, 如大
数Shor因子化[2] 和巨数据库Grover量子搜索[3]。
众所周知,所谓的大数因子化是把一个大数分解为所有素数因子的乘积。破译某些编码时
需要进行这样数字计算，如目前大量的金融交易是在一种叫作“RSA公开码”的、依赖于
大数因子化的密码技术保护下进行的。在传统计算机中，一个n位二进制数是由一串有n
个0 或1组成的数串描述。任何一个十进制数可以唯一地表达为一个二进制数，其中。存
储大数ｘ通常约需要个数据位。如果用１,２,３,......直到去除ｘ，经典计算过程通过
约步运算，可以最后找到ｘ的全部素数因子。显然，计算的步数与这个大数的数据位数
呈ｅ指数关系。随着ｎ变大，步数将是一个天文数字。因此，这是一项极为困难的计算
。按照现有的算法，对于一个400位数字的分解，使用现今最快的超级计算机也要花几十
亿年时间才能完成。然而我们知道,人类的历史才不过几百万年, 这样的计算必定是无效
的。
令人吃惊的是，1995年，应用D. Deutsch的量子计算机理论，美国电报电话公司的Pete
r W.Shor发现，通过量子力学的基本原理和概念, 完成一个n位大数的因子分解所用的计
算步数只是n的多项式函数，而不是n的指数函数。因而，Shor的算法原则上可以在一年
左右的时间内分解一个400位大数，从而有可能使现在所用的大部分复杂加密方案失效。
他的发现在信息金融领域产生了极大的影响。这是因为现有的加密系统大多是建立在大
数难于分解的基础之上的。很难想象，这样一种影响竟会来自于计算机科学领域之外的
、令人“头晕目眩”量子力学。需要指出的是，虽然许多实验和理论研究在探索这样一
种方法的可行性，但迄今为止还没有人能建造出一台实用的量子计算机。因此，在看得
见的将来，敏感的数据的传统加密还是安全的。
表现量子计算独特能力的另一项算法是贝尔实验室的L.K.Grover设计的量子搜索。计
算机在搜索藏在有n个对象的数据库中的一个特定的对象时，经典的搜索过程要比较每一

个对象,平均说来需要进行n／2次尝试才有较大的可能找到那个对象。经典搜索的一个日

常生活的例子是在一个按人名索引的、共有Ｎ个人的电话簿里，找到确定号码的人，通

常要找Ｏ(Ｎ)次才能成功。Grover把它换成量子力学问题就是：对于Ｎ个态的均匀相干
叠加，通过若干次基本的么正变换可以把其中一个特定分量的几率放大为１。令人惊讶
的是,Grover的量子搜索可以通过大约根号次尝试就找出所需的对象。1998年初, IBM公
司加洲阿尔马登研究中心的Issac. Chuang等人利用氯仿核磁共振实现了两个量子数据位
的量子搜索实验[4]，成为为量子计算的第一个演示实例。Shor的算法和Grover量子搜索
的成功，不仅激励物理学家们直接涉足于信息科学，同时也促使计算机科学的专家开始
了解量子力学的意义和应用。
图1:IBM氯仿核磁共振的量子搜索实验
　
　
量子相干性
究竟什么使得量子计算机会如此强大、区别于经典计算机呢？它的根源是量子相干性。

对经典图灵计算机来说，信息或者数据由二进制数据位存储，每一个二进制数据位由0或
1表示。而量子计算机则是由两个量子态 |0>和|1>取代0和1；处于这样两种不同状态之
上的粒子（原子，分子或离子等）表示量子计算机的一个存储单元量子数据位(称为
量子位,qubit)。任意两态量子体系都可成为量子数据位载体，如二能级原子，光子偏振
态，自旋1／2的粒子等。
图2: 二能级原子构成的量子逻辑门
同两个经典位一样，两个量子位也可以构成4种不同的完全确定的状态（即|0>|0>，|0>
|1>，
|1>|0>与|1>|1>）。然而，本质与经典位不同的是，一个量子位可以处在|0>和|1>的相
干叠加态
|u>=a|0>+b|1>
上，即同时以|0>和|1>的状态存在，每种态的概率由一个数字系数c=a ,b确定。需要指
出，这样的叠加态具有量子相干特征，经典概率不能完全确定叠加态，a 和 b 的相对位
相在量子计算过程中，起着至关重要的作用。显而易见，有2个量子位的量子计算机的状
态就需要4个系数描述；n个量子位的量子计算机的状态需要个数字。例如，如果n等于5
0，那就需要大约个数来描述量子计算机的所有可能状态。虽然n增大时量子计算机所有
可能状态的数目将迅速变成一个很大的集合，但由于相干性的态叠加原理，量子计算的
操作能够对处于叠加态所有分量同时进行。因而，一台量子计算机仅仅靠一个处理器就
能够很自然地同时进行非常多的运算。这就是所谓的量子并行性，它是量子计算的关键
所在。
量子力学所描述的物质世界的运动，与经典物理的图象或人们的日常经验有很大的区别
。根据量子理论的波粒二象性学说，实物微观粒子运动也会象光波、水波一样，具有传
播，干涉和衍射的波动行为，形成德布罗意物质波。人们已在实验上观察到了电子、中
子甚至原子集团的干涉现象和衍射图样。由于其波动性，微观体系的状态应当由一个决
定粒子出现几率的波函数描述，而不再是用位置和动量。在波动的意义上，物质状态相
干性会变得十分重要。事实上，对于一个具有波动性体系的某些力学量的进行同时测量
时，其结果不再象经典粒子那样同时具有确定的值：当位置定的很准时，粒子的动量就
不会定准，这就是量子力学著名的海森堡测不准关系，，是普朗克常数，其数值为6.62
60755(40)? J.s。表面上看，当电路集成密度很大时，很小时，就会很大，电子不再被
束缚，就会出现介观物理所描述的量子干涉效应，从而破坏计算机芯片的功能。对于现
有的计算机技术，量子力学的限制确实是一个不可逾越的障碍[5]。在某种意义上，传统
计算机也是量子力学的产物，它的器件也利用了诸于量子隧道现象等量子效应。但仅仅
用量子器件的计算技术，并不等于是现在意义上的量子计算。目前的量子计算并不只是
利用具有量子效应的超小尺度的“硬件”, 而是要应用量子力学重构计算机的原理, 并
充分发挥量子相干性的作用, 直接进行算法和计算机“软件”的设计。正因为如此，关
于量子力学基本问题的研究，对量子信息的意义才十分必要。从基本物理学的观点来看
,量子计算的输入和输出可以理解为特定量子系统(统称量子比特系统或量子计算机) 的
时间演化过程 [1], 其中系统的非经典属性量子相干性起着支配性的作用。因此,保持量
子相干性是有效量子计算的必然要求。不然, 量子态叠加中相干性的退化 (简称量子退
相干，decoherence) 将迫使量子计算机回到经典世界, 量子计算的优势将丧失贻尽 [6
] 。
　
量子测量与退相干
自量子力学建立以来，一个普遍存在争议、悬而未决的问题是从微观到宏观、从量子到
经典的过渡。这一基本问题的意义在于怎样理解量子退相干问题的本质。从表面上看,在
经典的现实世界中普遍存在的宏观不可逆现象与薛定鄂方程描述的微观可逆性或时间反
演对称性是有矛盾的。在量子力学中,不可逆现象主要包括量子测量假说中的波包塌缩和
多自由度系统环境中小系统的量子耗散。如何从基本量子力学出发、理解量子不可逆问
题是几代物理学家十分关注的根本问题。
在经典力学中，对体系的测量不会本质地改变体系的状态，至少在理论上可以构造理想
实验测量，使得体系的状态在测量前后不发生变化。而在量子力学的测量理论中，测量
仪器与被测系统的相互作用,一般会本质地改变体系体系的状态,引起波包塌缩：当量子
系统（可以是量子计算机）处于某一个力学量A 的本征态 |a > 的相干迭加态上,对Ａ
进行量子测量所得的结果仅是Ａ的本征值ａ之一，相应的概率是模的平方。一旦单一的
测量得到了值ａ，波函数便塌缩到Ａ的本征态 |ａ>上。
图2: 测量过程破坏相干性
这时波函数的相干性将被彻底破坏，即发生所谓的量子退相干。如图显示了中子干涉问
题中相干性破坏的问题：一旦我们通过测量发现中子是沿着哪条路径到达屏上，干涉条
纹将不复存在。对于量子计算而言,这种退相干效应会彻底破坏量子计算机的特殊效用。
由于量子计算机是依据量子相干性做特别设计的，退相干甚至可能使量子计算机尚不如
经典计算机处理同样的问题。
实际的量子计算机必然在一定程度上与环境耦合,其效应在微观、量子的范畴是不可忽略
的。特别是环境与量子计算机相互作用时的动力学行为，与量子测量过程中测量仪器的
特征非常相似：环境由大量粒子组成并具有宏观或经典特性;通过相互作用,它能够区分
量子计算机处在何种微观状态上。因此，环境对量子计算机的作用效果相当于对它进行
量子测量，从而破坏其相干性。这个问题的物理机制在于，一个量子系统与其环境的任
何一种相互作用比如说一个原子同另一个原子碰撞或同一个偶然闯入的光子散
射几乎都构成一次测量，这时量子力学体系的叠加状态就塌缩为一个完全确定
的状态，即由观测者检测到的那种没有相干性的状态。这导致了从量子过程到经典过程
的转变, 使得量子计算过程出现较大的误差,甚之完全失效。因此，必须采取某种适当措
施把一台量子计算
机的内部工作系统同它的环境隔离开来以保持相干性。这种措施也应当保证信息能进入
这些内部工作系统，以便能写入数据、进行计算并读出结果。基于这些原因和要求,量子
计算机的研究人员其实知道，建造一台实用的量子计算机将是极其困难的。
环境的运动方式带有很大的随机性,其中包括有限温度的热涨落和零温时的量子涨落。除
了量子退相干,这些涨落也会引起量子计算机的另外一种不可逆过程量子耗散,即量
子计算机的能量损耗,。近年来关于量子不可逆过程的研究表明,对于大多数量子体系来
说,量子耗散的时间标度(弛豫时间)远远大于量子退相干的时间标度 [7]。这就是说,有
可能在能量耗散起作用之前, 完成一个具有若干步骤的量子计算, 而此前量子退相干已
经对量子计算产生影响。因此, 只有克服量子退相干的发生, 才能最终实现具有实际应
用价值的量子计算机。为此人们已进行了一系列有意义的探索, 提出了一些避免量子退
相干物理效应的动力学方案和直接修正其误差的编码方法[8]。但是, 由于实际的环境
是十分复杂的,任何针对特定的环境模型所作的理论探索都必须具有一定的普适性, 则由
此得到的结论和设计的方案可能不具有实际价值。迄今为止, 关于量子计算退相干问题
的研究,所采用的环境模型均是由许多谐振子组成的热库。因此, 有必要对热库模型相关
的量子计算退相干普适性问题进行系统的研究[9]。
退相干的量子力学
既然量子计算中的退相干的起源是量子测量, 已经发展起来的量子测量理论可以用来系
统地研究量子计算退相干动力学的普适性问题。在量子计算中，量子计算机的量子态与
环境的状态相纠缠。这里代表与特定相关联的环境演化,代表由N 个粒子或子系统组成的
环境的初态。设量子计算机的初态是的相干叠加。量子计算机加环境形成的大系统在t
时刻状态是。这种纠缠也是量子测量问题的典型特征。 “平均”掉环境的自由度,用量
子计算机的约化密度矩阵描述这种由环境作用造成的效应.在其约化密度矩阵非对角项中
因子F(m,n,t)是N个有效矩阵元, f(m,n,j; t)的乘积表征环境状态跃迁的有效矩阵元,
f(m,n,j; t) 的模小于一。因此, 直观地看, 当环境的粒子数N趋近无穷大,退相干因子
在一定时间尺度上趋近于零。从而,约化密度矩阵的非对角项消失,导致量子计算机系统
的相干性完全退化, 即系统由完全混合态的经典密度矩阵描述。
这种退相干效应将引起量子计算完全失效。以Shor 大数因子化量子算法为例, 对于给定
的大数M, 一个有效的素数因子化算法的步骤不能随M增大作E指数增长, 而计算步骤的多
少取决于量子计算机系统终止于特定末态的几率。存在环境影响时, 这个几率对退相干
因子 F(m,n,t) 依赖关系 [9], 其形式为它表明, 如果没有环境的影响,系统完全相干
, F(m,n, t)=1,较大的P值决定了Shor大数因子化量子算法的有效性; 如果相干性完全消
失, F(m,n,t)=0 , 较小的P会使计算步骤随M 增大作e指数增长, 从而量子计算失效。

从以上的分析可以看出,环境对量子计算过程的影响可普遍地归结为退相干因子的作用。
要定量地研究量子计算退相干问题,就必需根据环境的具体结构以及它与量子计算机的相
互作用的具体形式作出具体的分析。然而,真实的量子计算环境是十分复杂的。表面上看
, 人们几乎无法定量地了解量子计算退相干问题的根本特性,从而给控制和避免量子计算
退相干的发生带来极大的困难。事实上, 目前人们主要根据多谐振子热库环境模型, 分
析量子计算退相干相关的问题, 在得到一些新的结论的同时,也重复地给出了过去量子测
量理论中已知的结果。但不管怎样, 人们必须正面回答一个基本问3题:既然真实的环境
并非是多谐振子热库, 从基本物理的观点看,由多谐振子热库环境模型得到的结果究竟在
多大程度上符合实际?回答这个问题的本质意义在于去深入了解不同环境模型的选择究竟
会给量子计算过程的分析带来多大的差别。通过这类量子计算退相干普适性问题的研究
,可以充分了解量子计算机付诸于实际应用的各种困难, 并从中找到解决这些困难的可能
出路。
基于量子测量动力学理论的退相干普适性研究表明[10，11]，在有限温度情况下, 不同
环境模型存在一些不依赖模型的普适性特征。量子计算机系统从量子到经典的转变速度
, 由退相干因子的模决定。但在弱耦合极限下,它的衰减速度或表征着退相干速度的退相
干时间tD，对于不同的有限温度模型，是一样的。在这个意义下可以断定, 对任何弱耦
合环境, 均可以通过统一的动力学模型描述其量子退相干过程。根据这一带有普遍意义
的结论, 如果量子修正编码方案的设计、避免量子退相干方法的采用或一个量子计算的
算法, 只依赖于量子退相干时间这一动力学特征, 不依赖于相互作用的细节和环境的具
体组成, 那么这些方案、方法对任何弱耦合环境将普遍适用。
然而,这方面的研究也展示了问题困难的一面:环境对量子计算过程的影响将不仅仅通过

量子退相干时间或退相干因子的模发生作用,退相干因子的位相的作用对量子计算过程是
十
分重要的。例如,Shor大数因子化量子算法中的终态几率对量子退相干因子的位相是相当
敏
感的。即使在弱耦合极限下,不同模型也会导致不同的量子退相干因子位相,温度的影响
也表现在量子退相干因子的位相上。特别是, 如果偏离弱耦合极限, 不仅量子退相干因
子的位相,而且由量子退相干因子模所决定的退相干时间,都将依赖于环境模型的选择。
这些会给克服量子退相干影响、实现有效量子计算带来极大的困难。
　
量子关联性
在信息科学中, 量子力学奇妙特性的另一个重要应用是量子关联性导致的量子通讯。
量子关联性是量子相干性在双粒子系统中的体现。当一个双粒子系统处于一个相干叠加
态
|W>=a|0>|1>+b|1>|0>
中，其中叠加态的每一个分量均由两个粒子的单态|0>和|1>构成。一旦测量确定了其中
第一
个粒子的状态|0>，波函数便塌缩到它所相应的分量|0>|1>，从而决定了另一个粒子状态
|1>。这时即使两粒子间的空间距离很遥远，
图 4: BBO晶体产生EPR 关联光子对
人们原则上也能在瞬间由一个粒子的状态确定另一个粒子的状态。试想象某一个物理过
程沿不同方向发射出两个光子（即光的波包），它们的振荡电场的取向（偏振）相反。
在被探测到之前，每一个电子的偏振都是不确定的。正如爱因斯但和其它一些科学家在
本世纪初指出的那样，一旦某个人测量了其中一个光子的偏振，另外一个光子的偏振状
态也就立刻确定下来了，不论它们相距多远。这种效应被称为EPR佯谬[12,13]。这种远
距瞬时作用的确是非常奇异的，它使量子系统能够产生出一种不可思议的关联，即所谓
“纠缠”（entanglement）。两个（或更多）子系统构成的量子体系的纠缠态，从数学
上讲，是不能写成子系统态矢的直积的多粒子态。EPR佯谬中的双粒子态就是处于最大关
联的纠缠态。
九十年代马里兰大学的史砚华等利用ＢＢＯ晶体的非线性效应参量下转换[14]，成功地
演示了由这种纠缠所导致的“鬼象”和“鬼干涉”实验。而后瑞士学者更直接了当地在
10km光纤上直接测量了光子对之间的量子关联。因此，爱因斯担等人在EPR佯谬中所预示
的量子关联现象经常被称为EPR效应。在1997年，利用这一效应，奥地利因斯布鲁克大学
的Anton Zeilinger及其同事们能够对量子远距隐性传态进行了一次引人注目的演示，并
由此导致了量子通讯研究的热潮[15]。事实上，在量子计算中，量子关联效应也起到了
把一台量子计算机中的各个量子数据位互相连接起来的关键作用。
图5: 马里兰大学的“鬼象”和“鬼干涉”实验
EPR佯谬中所预示的量子关联现象表面上与现代物理学的相对论因果关系相矛盾。在
三十年代，爱因斯坦等人正是以此为突破口与玻尔等人展开了关于量子力学基础的大论
战。
"EPR佯谬”提出了本质的物理问题：自然界究竟如爱因斯坦等人所认为的那样、是定域
的
还象玻尔等人所认为的是非定域的？前者正确会导致量子力学不完备的结论；而后者正
确
会导否定玻姆的隐变量理论而肯定量子力学的合理性。基于玻姆的隐变量理论而推导出
来
的Bell不等式成为判断“孰是孰非”的实验依据。法国学者第一个在实验上证实玻姆的
隐
变量理论Be11不等式可以被违背，从而证明量子力学理论的正确性。随着原子物理和量

子光学的发展，有更多的实验支持了这个结论。虽然随着量子力学成功地应用到物理的
各
个领域，以玻尔为首的哥本哈根学派暂时取得了胜利，但爱因斯坦关于量子力学完备性
的
质疑和“上帝是否抛骰子”的责难对量子力学后来的发展产生了极其重要的影响，进一
步
深化了基本量子力学问题的研究。
图6: “薛定愕猫”: 宏观量子态相干叠加
对量子力学另一个著名挑战是薛定愕提出的所谓“薛定愕猫”：
“一只猫关在一钢盒，盒中有下述极残忍的装置（必须保证此装置不受猫的直接干扰）
：在盖革计数器中有一小块辐射物质，它非常小，或许在1小时内只有一个原子衰变。在
相同的几率下或许没有一个原子衰变。如果发生衰变，计数管便放电并通过矶继电器释
放一锤，击碎一个小的氢氰酸瓶。如果人们使这整个系统自己存在1个小时，那么人们会
说，如果在期间没有原子衰变，这猫就是活的。第一次原子衰变必定会毒杀了猫”。
在日常生活里，我们心里十分清楚，那只猫非死即活，两者必居其一。可是，按照量子
力学规则，盒内整个系统处于两种态的叠加之中
　 |u>=a|0>|死猫>+b|1>|活猫>
其中一态中有活猫与原子稳态|1>的关联，另一态中有死猫与原子嬗变态|0>的关联。但
是，一个又活又死的猫，是什么意思呢？据推测,猫自己还是知道是活还是死的。然而，
按照冯·诺意曼的推理，我们不得不作出这样结论：直到某人窥视盒内看个究竟以前,不
幸的猫继续处于一种悬而未决的死活状态之中。“薛定愕猫”的物理本质是：宏观上是
否存在可以区分的量子态相干叠加？如果存在,我们则可以利用EPR效应,在相当遥远的距
离上,传递一个宏观的状态。量子理论的发展在理论上预示许多猫态的产生，美国学者1
997年的实验上也显示了“猫态”存在的可能性。这个问题的进一步推广、引申，就是各
种宏观量子相干现象，如超流、超导、玻色-爱因斯坦凝聚等。
量子通讯-量子隐形远程传态
量子非定域性的理论和实验不仅把人们对量子世界的认识提高到新的水平，而且这种奇
妙无比的新的特性开拓了量子力学新的应用领域。世纪之交，量子信息的研究正是在这
样的背景下应运而生的。量子力学为信息科学的发展提供了新的原理和方法，注入了新
的活力。
图7: Bennet远程隐形传态的方案
　
从点P传到另个地点Q，使地点Q另一个粒子A（Alice）处于|u>态上，而原来的粒子仍留
在原处P。其基本机制是利用量子非定域性效应：将原来物的信息分成经典信息和量子信
息两个部分，它们分别经经典通道和量子通道传送给接收者。量子通道是由一个BBO型的
EPR关联源产生的A粒子和S粒子量子纠缠EPR态 |E>,它是四个Bell基
中的一个。粒子B的待传状态 |u> 结合EPR对的量子态|E> 构成三粒子系统(A,B 和 S)
的联合态 |T>=|u>|E>。此态可以按照粒子S和 B 的Bell基展开,形式上有
为了把态|u>从Bob传送给Alice,Bob对粒子B和S进行测量,确定它们处在哪个Bell基。其
结果是B和S以特定的几率塌缩到每一个Bell基上。一次测量只能得到一个结果。Bob将即
己测到是哪一个Bell基通过经典通道（打电话、发传真或 e-mail等）告诉Alice。远方
的Alice 就知道粒子A已经坍缩到|T>哪一个分量上，从而得到了他自己的状态，选取合
适的么正变换便可以将粒于A制备在态|u>上了。
在上述量子隐性传态的方案，经典通道的作用是必不可少的。经典信息是发送者对原物
进行某种测量（Bell基测量）获得的少量信息（四个Bell基中的一个），而量子信息是
发送者在测量中未提取大量信息（由被传送态|u>=a|0>+b|1>中连续变量a 和b相对位相
因子描述的信息），它通过具有EPR关联效应的量子通道进行传递。需要指出，在量子
隐性远程传态的过程中，传送的仅仅是原物的量子态，发送者甚至可以对要传送的量子
态一无所知；接受者在获得这两种信息之后，就可以制造出原物状态的完美复制品。但
代价
是原物的量子态已遭破坏，因而量子隐性远程传态的过程不允许重复。
实验上实现量子隐性远程传态的关键技术是制备EPR对和Bell基测量[17]。1997年12月奥
地利因斯布鲁克大学的Anton Zeilinger 研究小组对量子隐性远程传态进行了一次的重
要的实验演示 [15]。实验中，它们利用参量下转换方法产生了偏振方向关联牛校夜�
子对；利用 Braunstein 和 Mann等提出的Bell基测量方法[17]以一定的成功几率确定了
Bell基的投影。其文章在《Nature》上报导后不仅在学术界，而且在新闻界引起了不小
的轰动。
1998年初，意大利学者在《物理评论快报》上报导了另一个成功的实验[18]，这个实验
也采用单个光子偏振态作为待传送量子态。然而，学术界也有许多人对这些实验持不同

的观点[19]。由于实验中利用参量下转换产生的牛校夜子对的几率相对于真空态只是
百分之五十，关于Bell基测量成功的几率也只是百分之二十五。因而他们认为这不是通
常意义下的量子隐性远程传态。在通常的量子隐性远程传态中,原理上要求Bell基的确定
不应是几率方式。事实上,所有的这些争论均涉及对基本量子测量问题的不同理解。
目前的量子隐性远程传态还没有真正地应用到通讯过程，所有的实验均是在实验室中的
短距离上进行的。要想真正地应用于实际通讯过程，必须解决所谓的“退纠缠”问题。
退纠缠是量子退相干在多粒子系统上的反映：由于环境的影响，二粒子状态的相干叠加
将部分退化或完全退化，从而减少了由一个粒子状态确定另一个粒子状态的关联纠缠程
度，因而大大降低利用牛校叶允迪量子通讯的成功几率。在长距离通讯中，牛校夜�
联粒子对会经历极为复杂的环境作用，退纠缠的可能性很大，很难人为地控制这种随机
的效应。为此,人们需要针对十分复杂的实际的环境,探索具有一定的普适性的避免量子
退纠缠的物理方案。只有克服量子退纠缠的发生, 才能使量子隐性远程传态有实际应用
价值,实现真正实用的量子通讯。

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    很多人说，现代物理学家在周一、周三、周五是量子物理学家，而在周二、
周四、周六又成了引力相对论者，星期天的时候，这个物理学家什么也不是，他
向他的上帝祈祷，祈祷有人，最好是他自己，能够找到这两种观点的一致性。

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