量子理论若干基本问题研究的新进展

本结合最后的典型量子物理实验,如用冷原子Bragg散射实现的“which-way”实验,量子退相干过程的微腔QED检验和C60分子的量子干涉等,比较系统地介绍了量子理论基本问题若干研究的新进展,特别强调了处于其核心的量子测量问题及其相关的基本概念和基本思想,如EPR佯谬和Bell不等式,量子退相干和量子纠缠,从理论和实验结合的角度本阐述了被测系统和测量仪器的相互作用怎样导致量子测量的一般动力学过程,由此还讨论了外部环境和内部运动怎样诱导量子退相干和量子耗散,对“薛定谔猫佯谬”和“宏观物体空间局域化描述”给出了可能的物理解释,最后,通过具体例子,本简单地讨论了量子物理基本问题的研究结果对量子信息的应用。     

量子力学佯谬及第二次量子革命

文章介绍了三个著名的量子力学佯谬,分别是有关量子力学与定域实在性、语境实在性,以及宏观实在性三者之间的关系。这三个佯谬对应三个思想实验,后来又发展出由隐变量理论和实在性推导出的不等式,这些不等式可以定量地判断量子力学和这些实在性之间的关系,使得纠缠等量子力学特性成为可以被真实探测和利用的资源,被广泛应用于量子保密通信、量子隐形传态、量子计算等任务中。量子信息理论的出现,进一步带动了量子通信、量子计算和量子传感等高新技术领域的产生和发展,开启了“第二次量子革命”     

贝尔不等式的量子违背及其实验检验——兼议2022年诺贝尔物理学奖

2022年诺贝尔物理学奖授予法国、美国和奥地利的三位科学家阿兰·阿斯佩、约翰·弗朗西斯·克劳泽和安东·塞林格,以表彰他们利用纠缠光子实验检验贝尔不等式以及在开拓量子信息科学方面做出的卓越贡献。贝尔不等式在量子力学基本问题和量子信息研究中都有着不可或缺的地位,它的违背直接揭示了量子力学的基本特征——量子非定域性。文章在讲清楚基本科学概念的基础上,简要介绍了贝尔不等式理论的建立及验证其违背的实验研究的科学历程。为了解决EPR佯谬,基于玻姆的定域隐变量理论,约翰·贝尔提出了关于纠缠态上的关联测量满足的基本不等式——贝尔不等式。他还发现,量子力学关于关联的计算结果违背贝尔不等式,可以在类空距离上展现出“鬼魅”的长程量子关联。这种长程关联看似有超光速的“超距作用”,但这只是人们明显或潜在地使用了“波包塌缩假设”。EPR文章明显地采用这个假设推断远方客体共存的物理实在要素,由此对量子力学完备性提出质疑。文章评述了阿斯佩、克劳泽和塞林格荣获诺贝尔物理学奖的关于贝尔不等式违背的判定性实验,介绍了华人物理学家在纠缠态和贝尔不等式研究方面的基础性贡献,包括早年吴健雄利用正负电子湮灭产生EPR光子的先驱性实验,李政道和杨振宁关于产生两个中性K介子K⁰—${\\rm{\\bar K}}$⁰形成EPR态的建议,史砚华、欧泽宇、彭堃墀等利用非线性光学晶体,包括陈创天等人发现的非线性光学晶体,产生纠缠光子对的原创性工作。     

量子测量问题的研究及应用

文章结合最近完成的量子测量实验（如用冷原子Ｂｒａｇｇ散射实现的“ｗｈｉｃｈ－ｗａｙ”实验和用Ｃ６０分子完成的小系统量子干涉实验）,比较系统地介绍了量子测量问题及其相关的基本概念和基本思想,如量子相干、量子退相干和量子纠缠,从理论和实验结合的角度,讨论了外部环境和内部运动怎样诱导量子退相干和量子耗散,由此探讨了“薛定谔猫佯谬”和“宏观物体空间局域化描述”的物理解释,最后,文章简单地描述了量子计算和量     

2022年诺贝尔物理学奖的科学内涵辨识

2022年的诺贝尔物理学奖,被一些人误解为证明了量子纠缠现象。实际上,包括爱因斯坦本人都承认量子纠缠,关键在于如何诠释。今年诺贝尔物理学奖的价值在于这几位物理学家以无可争辩的实验事实,证明了基于定域隐变量的贝尔不等式是不对的。目前的一些介绍文字,没有认真解释量子力学在理论上是如何批驳贝尔不等式的,同时虽对量子纠缠的物理价值多有阐述,但对其哲学意义却鲜有评述,对社会上滥用纠缠概念缺少直接批判和阐释。文章希望在这两方面有所补充。     

量子密码实验新进展——13km自由空间纠缠光子分发:朝向基于人造卫星的全球化量子通信

实验实现了纠缠光子对通过地面大气13km的自由空间分发.实验表明,纠缠光子在通过超过大气层等效厚度的距离之后,纠缠特性依然能够很好保持.文章作者观测了类空间隔Bell-CHSH不等式的破坏,其S值达到2.45±0.09.在这个基础上,我们利用分发的纠缠光子对演示了BB84-Ekert91量子密码协议.这个实验第一次验证了用纠缠光子对进行地面和卫星量子通信的可行性,为未来的基于人造卫星全球化量子通信打下坚实的基础.文章将首先回顾量子密码实验方面的最新进展,然后再详细介绍作者的实验.     

薛定谔之猫仍然令人困惑

著名的薛定谔之猫的佯谬从量子力学的原理出发,得出一个怪诞的结论：猫可以同时处于活的和死的两种物理状态．在现实生活中,像猫那样的大物体显然不能处于两种或多种状态叠加的状态．这个佯谬通常是通过量子退相干来解决的．     

纠缠薛定谔猫态的非局域性及其在热库中的演化

利用Bell-CHSH(Clauser-Horne-Shimony-Holt）不等式研究了两种纠缠的光学薛定猫态的量子非定域性及其在真空热库中的演化。计算表明，最大纠缠的薛定谔猫态具有最大非定域性。在真空热库中随着时间的演化，两种纠缠态的量子非定域性逐渐减弱直至消失。     

从量子理论到量子信息研究

 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作用,而且导致了一系列重大的高新技术变革,深刻地影响了人类社会的物质生活,如激光的发明和半导体的应用。     

本科生量子信息教学几点体会

量子信息的概念和原理相当抽象,为了使学生更容易理解量子信息的基本概念和原理,在教学中提供一些通俗易懂的例题,将量子信息概念和原理通过实例具体化,这对学生深刻领会量子信息基本概念和原理有很大帮助,并取得了较好的教学效果.     

高能物理中的Bell不等式

评述了在高能物理中检验量子力学的完备性, 特别是检验Bell不等式的研究工作进展情况, 简略地介绍了Einstain, Podolsky和Rosen (EPR)佯谬及其相应的光子实验得到的结果. 概括地阐述了在高能物理中早期利用粒子衰变中的自旋关联以及后来用中性介子的混合形成的准自旋纠缠态检验Bell不等式的各种尝试, 给出了K⁰和B⁰系统的相关实验结果. 介绍了一种可在φ工厂中实施实验检验的, 基于非最大纠缠态的新的方案. 最后还讨论了把这一实验方案推广到τ-粲工厂的可能性.     

级联环境下三量子比特量子关联动力学研究

基于与各自的级联环境相互耦合的三个独立的量子比特系统,详细考察了强、弱耦合体系下腔-腔耦合强度W和腔衰减率G1对负性纠缠度、Bell非定域性和纠缠目击的影响.结果表明:Bell非定域性和纠缠目击都可以出现猝死和猝生现象;G1=0时,随着W的增加,三者在历经短时阻尼振荡后,均会随时间达到各自的稳定值,且该稳定值随着W的增...     

量子开系统理论及其应用

量子物理是当代科学发展的基石,多次引发高技术革命.它与信息科学结合,产生了交叉学科——量子信息,为突破计算机芯片的尺度极限提供了全新的解决思路.自1987年起,文章作者及其合作者对量子开系统理论、量子退相干及其相关的量子物理基本问题进行了系统的探索,契合了最近10年量子信息研究的快速发展.文章首先结合上世纪70年代末彭桓武先生关于量子开系统(阻尼谐振子的量子化)的重要研究工作,介绍了量子开系统的基本概念及其研究的科学意义,同时简略介绍了文章作者及其合作者在量子开系统理论及其在量子信息应用方面的系列研究工作.     

量子开系统理论及其应用

量子物理是当代科学发展的基石,多次引发高技术革命.它与信息科学结合, 产生了交叉学科——量子信息,为突破计算机芯片的尺度极限提供了全新的解决思路.自1987年起,文章作者及其合作者对量子开系统理论、量子退相干及其相关的量子物理基本问题进行了系统的探索,契合了最近10年量子信息研究的快速发展.文章首先结合上世纪70年代末彭桓武先生关于量子开系统（阻尼谐振子的量子化）的重要研究工作, 介绍了量子开系统的基本概念及其研究的科学意义,同时简略介绍了文章作者及其合作者在量子开系统理论及其在量子信息应用方面的系列研究工作.     

从贝尔不等式到量子信息"热"

介绍了贝尔不等式的建立及20世纪70年代以来对它的实验验证．对贝尔不等式与量子力学基本解释的关系的深入研究,加速了“纠缠态”及其品性的发现,推动了量子信息“热”的兴起。     

量子力学若干基本问题研究的新进展

首先回顾了量子力学诠释的各种研究的思想起源.以量子测量问题为核心,通过介绍和分析最近5年完成的相关实验（如用腔QED展示的量子退相干过程实验和超冷原子which-way实验等）,系统地评述了量子力学若干基本问题研究（包括宏观物体相干性,量子测量的冯*诺伊曼链问题）的新进展,并阐明了其作用与意义.指出了量子力学基本问题的探讨已经走出纯哲学思辨的范畴,开始了大规模的实验检验,而且其研究结果对信息科学有重要的潜在应用.通过基本观念的正确阐释,对量子测量理解方面的某些误解（如超光速现象）给予一定程度的澄清.最后,通过介绍霍夫特(G.′tHooft)最近在量子力学方面的工作,展望了量子力学今后的可能发展.     

双光子纠缠实验教学系统的搭建与应用

双光子纠缠实验教学系统主要涉及双光子纠缠态的制备、测量和分析,可以直观展示量子纠缠概念,排除局域隐变量假设.介绍了双光子纠缠系统的工作原理、纠缠态的制备和测量方法,搭建了双光子纠缠实验教学系统.该系统利用自发参量下转换效应制备出双光子偏振纠缠态并进行测量,性能稳定可靠.实验包含符合测量和复杂光路设计、调节等内容,有助于...     

模仿量子纠缠的“伪造态”

Bell不等式是对一个系统的量子本质的最根本的检验．但实验表明,这个检验可以被欺骗． 在1935年,爱因斯坦、波多尔斯基（Podolsky）和罗森（Rosen）共同辩说量子力学并非完备,因为对某个系统进行测量会立即影响另一个系统的波函数,这与信息传输的光速极限相矛盾．若想避免此“鬼魅般的超距作用”,各系统实际蕴含的内容必须比波函数所描述的要多．量子力学也许需要增补,例如通过引入隐变量理论,使得每一次测量仅依赖定域的自由度．     

Bell态原子与双模纠缠相干光场双光子相互作用系统的量子纠缠

运用全量子理论和数值计算的方法,借助于原子的量子约化熵研究了初始处于Bell态|β00>和| β10>的两原子与双模纠缠相干光场双光子相互作用系统中两原子与双模光场之间纠缠的演化特性.分析了光场强度、光场纠缠度及原子间相互作用强度对原子熵演化特性的影响.结果表明:随着双模光场的平均光子数的增大,原子熵的时间演化曲线逐渐变为规则振荡;增大原子间的相互作用强度,原子熵的振荡频率和振幅都减小;改变双模光场的纠缠度,原子熵的振荡频率和振幅都不发生改变.     

连续变量量子离物传态的实验研究

利用单个Ⅱ类相位匹配OPA产生的双模压缩态实现连续变量压缩纠缠态，完成了连续变量量 子离物传态. Ⅱ类相位匹配OPA参量反放大过程可以实现正交振幅反关联、正交位相关联的 压缩纠缠态，这不同于一般运转于阈值以下的OPO产生的正交振幅关联、正交位相反关联的 压缩纠缠态，可以采用直接平衡测量的方法完成Bell态测量. 利用双KTP补偿非线性过程的 离散效应，获得了最大压缩大于2dB的双模压缩纠缠态，实现保真度06，考虑到探测效率 实际保真度为057. 这种方案简化了测量方法与纠缠光源产生装置，有利于进行量子通信 的实验研究与应用. 同时，讨论了探测过程中的一些非理想因素. 关键词： 量子离物传态 压缩纠缠态 Bell态测量