试论量子通信的物理基础

摘要

众所周知,W.Heisenberg荣获1932年Nobel物理学奖是由于他提出了矩阵力学和不确定性原理,这对量子力学(QM)的建立非常重要.但是,A.Einstein对QM持反对态度;这在1926年开始显露,而在1935年达到顶点,其时他与B.Podolsky,N.Rosen发表了EPR论文.此文中的局域性原则与他的狭义相对论(SR)对应;对于一个分离系统(Ⅰ和Ⅱ)而言,二者之间不可能存在超距效应.N.Bohr对EPR论文作了反驳,指出不确定性原理对Ⅰ和Ⅱ的影响——当测量Ⅰ时Ⅱ会有反应,这与它们之间的距离无关.当然,上述讨论均是针对微观粒子的.1951年D.Bohm把EPR思维实验作现代意义的陈述,称为Bohm自旋相关方案或自旋双值粒子系统.实际上Bohm启动了量子纠缠态研究.在此基础上,1965年J.Bell提出考虑了隐变量问题的不等式;而在1982年,A.Aspect用高精度实验证明,结果与Bell不等式不符却与QM一致;这引起了科学界的震动.1985年,物理学家J.Brown和P.Davies在英国广播公司(BBC)组织了一次对著名科学家的访谈.在采访J.Bell时他说,该不等式是分析EPR思维所产生的,这个思维说在EPR论文条件下不应存在超距作用,但那些条件却导致了QM所预期的奇特的相关性.Aspect实验结果是在预料之中的——QM从未错过,即使条件苛刻也不会错.这些实验无疑证明了Einstein的观念站不住脚.……特别是在2008年,D.Salart等用处于纠缠态的相距18km的2个光子完成的实验证明其相互作用的速度比光速大一万倍以上,为104c-107c;可以说此实验对有关EPR的长期争论作了结论.在后来数十年中,Bell型实验常盛不衰,互相纠缠的光子间隔由Aspect时的15m逐步加大到2007年时的144km,而在2017年由中国量子卫星扩展到1200km,十分惊人.作为QM的一种应用,量子通信(QC)是量子信息学(QIT)的一个重要分支.以光纤为基础提出了若干QC实施方案,例如量子密钥分配(QKD),诱骗态(DS),量子安全直接通信(QSDC),以及超级纠缠态(HES),等等;信息传播可依靠单光子和纠缠.然而问题是QC并非绝对安全,故QC的重要性和意义尚需在实用中进一步求证.现在,以量子纠缠态为基础的QIT研究是有优势的;所有研究工作都建基于与QM非局域性一致而与EPR论文不符的基础上.EPR论文发表83年了,但它仍吸引人们注意并从反面促进了科学发展.无论QM的Copenhagen诠释有无问题,QM都是QC的可信的物理基础.