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量子力学与可实现的量子态操控(一)  

2010-06-10 21:12:19|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 一量子力学的概念问题

          在人类社会,众多的名词和概念往往是没有确切的或无法定义的,它们全部仰仗我们长时间的人类活动经验达成的一种共识,并且这种共识是残缺的,脆弱的,本质上是模糊的不清的;它们需要法律和合同来规范,并达成共识,而在学术和理论界就没有这种规范来达成共识,而是一种约定成俗认同,使得同一名词,对不同的人有不同的有不同的回答。例如,科学一词不同的人有不同的理解,最具有代表性的是:科学就是客观规律和真理。实际上,由于科学一词从来就没有严格定义过,所以会引起一系列的混乱和无谓的争论。比如:中国古代有没有科学?中医是否是科学?科学与伪科学的区别是什么?科学与宗教的区别是什么?等等。而这些问题又是非常非常吸引人的问题。所以时代要求我们尽早地给出恰当的定义以解决这些争议。科学一词,英文为science,源于拉丁文的scio,后来又演变为scientin,最后成了今天的写法,其本意是“知识”、“学问”。也就是说,科学是一种揭示客观规律的学问,这种学问是随时间逼近真理的,但不完全是真理。那种将科学分为官科和民科的人是将科学定义为是真理的持有者。在物理学中,几乎每一个概念都是这样无确定定义的,或者是无法定义,物理学就是在这些无确切定义的概念基础上发展起来的。例如,时间,空间,长度,质量,速度,力和能量等,这些是物理学最基本的概念,同时也是物理学家没有搞清楚的,回答不一致的概念;这也是造成物理学以及科学的争议和混乱不堪的局面的最主要的原因。同样,量子力学也是这样。量子力学应用取得巨大的成功,同时在应用上又存在巨大的困难和障碍。这一方面与量子力学的应用的局限性有关,另一方面与量子力学基本概念的无法确切定义有关。在《解读量子力学》一文中,本文作者指出:量子力学的巨大成功在于它将微观粒子的周期运动转化为经典波动力学的振动图像来描写,它一方面减少了微观世界对我们探测的限制的同时,另一方面又使得微观世界的某些方面无法探知。量子力学转变描述方法的同时,又带来了量子理论上的波粒二象性和不确定关系。虽然这两个性质是量子力学特有的,由于认识的错误,将其普遍性,不但阻碍了量子力学的发展,也严重的阻碍了整个科学的发展。量子信息和量子计算发展艰难和无法物理实现完全是由以上原因造成的,即造成量子态工程无法实现。量子态工程的任务是研究如何产生,测量,控制和应用各种各样的量子态。 由于对波粒二象性和不确定关系错误的认识,使得物理工作者认为微观世界是不可获得全部信息的,极大的阻碍了量子态工程的进展。在加州理工学院,东京大学和山西大学的实验中,人们只是把一束相干光场中某个振动频率分量的量子态隐形传送一米开外的地方;而在美国NIST和奥地利Innsbruck的原子态的隐形传送中,被传送的距离不过是几微米,要想得到实用还是一个神话般的梦想。


      量子力学为了转换描述方法运用经典波动力学的成果,可以不考虑物理基本概念存在或图像,执着地将运动图像转化为振动图像,这样量子力学不可避免的损失微观世界的部分信息,或无法完全描述微观世界。为了满足波粒二象性和不确定关系量子力学将凝聚态物质的低能激发态认为无相互作用的准粒子(也称原激发)的集合,从而使复杂的多体问题大为简化,并满足薛定谔方程。一些典型的准粒子如,空穴,声子,激子,激化子和库珀对等。在量子力学描写中,金属或半导体材料中的电子实际上也是一种准粒子,在原子实构成的晶格中运动的,彼此之间有着电磁相互作用的,数目巨大的真实的电子被量子力学认为是具有有效质量的,彼此之间几乎没有相互作用的准粒子。这样,量子力学就没有必要搞清楚更多粒子相互作用的本质,直接将理想化的准粒子代入量子力学方程进行求解即可;它既显示了量子力学的威力,又暴露了它的不足和局限性。量子力学的空间是对称的,表现为某些物理规律的守恒和平衡。对称性和对称性破缺是量子力学的重要的概念和规律,仅从量子力学是无法得知它们的机制。量子力学应用在微观世界时,必须和客观本质联系起来,那种将什么都量子化是很难客观的反应真实的世界的。“为了物理上实现有实际用途的计算机,需要把普适的量子逻辑门有机地集成起来保持量子比特间的量子纠缠,并对它们加以操控。随着集成量子比特数目N的增多,量子相干性损失会变得越来越大,有时甚至呈e指数增长关系。最近研究表明,单粒子的量子相干性的损失呈e指数衰变,但用cocurrence表征的量子纠缠都会在有限的时间内丧失殆尽。这些结果表明了多量子比特简单集成后的量子相干性更加脆弱,原则上对目前的理论和实验提出挑战。”“量子芯片本质性地利用了量子相干性,然而半导体量子点体系又受到周边环境的影响比较严重,控制退相干,维持其量子相干状态,遇到了更大的挑战。为了使半导体量子芯片成为现实,一个重要的科学问题就是需要仔细了解半导体量子点中自旋的相干性质和退相干机制呢”。量子相干性 已超出了量子力学的描述范围,它与真空的能量性质和能量的非物质性紧紧的联系在一起。本文作者的《真空的本质》一文对此进行了描述。对计算系统进行测量,“麦克斯韦妖”自身不是一个信息量,而是一个非物质的能量的一个量,这个量必须制备在一个“标准态”上,而测量过程消耗的能量产生的熵转移到系统中去,同时要求系统中的熵 相应的应减少,既保持系统的熵不变。为了控制相干性 必须定义能量密度这个概念,保持相干性就是保持系统能量密度不变,或是保持系统是绝热的。(未完待续)
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