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QuantumTheory的共享空间
13 noviembre 王国文:量子不可克隆定理的谬误与祸害王国文:量子不可克隆定理的谬误与祸害 [摘要:本文论证,量子不可克隆定理出自对叠加原理的误解和误用,这种克隆并不违背量子力学的基本原理,因而由这定理做出的结论“量子加密能保证万无一失”是一句假话,对量子加密绝对安全性的顶礼膜拜危害不小。] 威廉·沃特斯和沃伊切克·祖瑞克1982年在英国《自然》杂志上发表了题为“单量子不能被克隆”的论文,稍后,丹尼斯·狄克在题为“用EPR通信”的论文中有类似的结论。1984年查尔斯·贝内特和吉列斯·布雷萨德在“计算机、系统和信号处理国际会议”上发表“量子密码术:公钥分发和掷硬币”的论文,提出一种量子加密法,此后出现一种说法:根据量子力学的不确定性原理以及量子不可克隆定理,任何窃听者的存在都会被发现,从而保证密码本的绝对安全,也就保证了加密信息的绝对安全。单量子不可克隆定理(或称未知量子态不可克隆定理)是从量子力学的叠加原理“推导”出来的,所以说,量子加密万无一失的绝对安全性为量子力学原理所保证。贝内特和布拉萨德的原话是:“因为这种克隆可以被证明与量子力学的基本原理不一致。” 量子不可克隆定理已载入多本量子力学教科书,似乎象征这定理已为物理学界所公认。由于量子态复制在种种实际应用中的重要性,多年来人们的研究工作放在如何获得近乎完善克隆或最佳近似克隆上。 今年(2009)沃特斯和祖瑞克在《今日物理》上又发表题为“不可克隆定理”的文章,写道:“叠加原理是量子力学的基石。”“麻烦来自拷贝的固有非线性。”“在量子世界里,物理规律对拷贝加上严厉的限制:不可能对一个未知态做完善拷贝。”“单个克隆体不能对每种量子态做完善拷贝。”他们的文章最后说:“实际上,量子态的本性仍然是热烈争论的主题,不可克隆定理表达的对拷贝的限制是讨论的一个重要部分。”的确,这个定理的建立与对量子态本性的认识有关,不同认识会有不同结论,错误认识不免产生错误结论。 光放大的原理,即受激辐射原理,是爱因斯坦在1916年的《苏黎世物理学会会报》上的论文“辐射的量子理论”中提出的,这个理论为激光物理学奠定了基础。众所周知,激光器的类型何其多,因为光是容易被放大,即容易克隆。一个光子的克隆意谓入射的光子数目至少被倍加,出射的光子的频率、波矢方向、位相和偏振方向都要与入射光子的相同。自发辐射的光子容易与它们区别开,不必关心。很清楚,激光器发射出处于一种或一些特定模式的光子,但是媒质的光放大作用,即克隆,原则上无模式限制,只受能级匹配等物理条件影响。光子的倍率与光经过受激媒质的程长成比例,增加程长能使它至少加倍,即克隆完善成功,其量子态随量子的克隆成功而被复制。然而,量子力学只谈量子的态,假如理论证明态不可复制,那就自然意味着量子不能克隆了。沃特斯和祖瑞克还说:“因为没有预先的知识,我们不可能选择正好合适的拷贝体来做这件事。”不过,实际上无需去特意选择,只要条件准备充分,可让其自动选择。那么,怎么出来个“单量子不能被克隆”的定理呢? 沃特斯和祖瑞克在上面提到的论文一开始就写道:“如果有一个一定偏振的光子碰到一个激发原子,典型地,这原子通过受激发射有一定非零几率发射第二个光子。这样一个光子保证具有与原来光子同样的偏振。但是否可能,通过这个过程或任何其它过程放大一个量子态,即产生量子体系(现下情形中的偏振光子)的几个拷贝,都具有与原来光子一样的偏振?假如可能,这种放大过程可以用来查明一个量子体系的正确状态:在一个光子的情形中,我们能通过先产生一束全同拷贝光来决定它的偏振,然后测量斯托克斯参数。这里我们证明,量子力学的线性禁止这样的复制,而且这个结论对一切量子体系成立。”接着说明论文的动机:“注意到,如果光子可以克隆,那么对于超光速通讯能够做一个似乎有理的论证。...下面所证明的克隆光子的实际不可能性,禁止此方案的超光速通信。” 沃特斯和祖瑞克的证明简短,仅仅几行字,现介绍如下,这里所用的字符与原文有所不同是为避免上下标和特殊符号。一个完美的放大器对一个偏振态|s>的入射光子有下列影响: |A>|s> -> |A'>|ss> 这里|A>是仪器的“就绪”态,|A'>是它的终态,它不一定依赖原来光子的偏振。符号|ss>指辐射场的态,其中有两个光子,都有偏振|s>。我们假定,这样的放大事实上对垂直偏振和水平偏振都能够完成。即 |A>|v> -> |A'垂直>|vv> 和 |A>|h> -> |A'水平>|hh> 按照量子力学,这个变换应该用线性(事实上么正)算符表示。因此,如果入射光子具有线性联合a|v>+b|h>给出的偏振,则它与仪器作用的结果将是上面两式的叠加: |A>(a|v>+b|h>) -> a|A'垂直>|vv>+b|A'水平>|hh> 如果仪器态|A'垂直>和|A'水平>不全同,则从仪器出来的两个光子处于混合偏振态。如果这些仪器态全同,则这两个光子处于纯态: a|vv>+b|hh> 可见,不论在哪种情形中,那个终态都不同于两个光子偏振态都为a|v>+b|h>的态。假如仪器是一个完美放大器,所要求的态可以写成: (a|v>+b|h>)(a|v>+b|h>) 它是一个纯态,与上面得到的叠加态不同。于是,沃特斯和祖瑞克总结说:“因此不存在任何仪器能够放大一个任意偏振。以上论证不排除可能有器件能放大两个特殊的偏振,像垂直偏振和水平偏振。” 他们在《今日物理》的那篇文章中做了补充说明。因量子演化保持几率守恒,认为,拷贝产生的模<e|e>=<(a|◇◇>+b|□□>)|(a|◇◇>+b|□□>)>必与原始的<s|s>=<(a|◇>+b|□>)|(a|◇>+b|□>)>相同,即完善拷贝必满足<◇|□>=<◇|□><◇|□>。称这一简单等式有深刻的后果:它表示,只当原来态可能正交时,即标量积<◇|□>为零时,拷贝才能进行。 他们的文中有一个图,其中表示水平(x)偏振"-"的光可以拷贝,垂直(y)偏振"|"的光也可以拷贝,但斜向偏振"/"的光禁止拷贝。但是,在我们看来,显然,适当选择另一个的坐标系(x',y'),"-"就可变成"/",拷贝的可能性不会改变。他们的图意味着,量子拷贝这样的物理过程与惯性参考坐标系的选择有关,这是违反相对性原理的,更确切地说,违反电磁规律的洛仑兹协变性。 为检查他们的论证是否有错或错在哪一个环节,我们考虑一个入射光子沿z方向运动,它的态为|s>=a|v>+b|h>。设一个二维电偶极谐振子位于(x,y)平面内,并假定此振子已处于最低受激态|A>=a'|A'垂直+b'|A'水平>,它将克隆入射的光子,不过只是a'=a,b'=b的振子能以最大几率克隆这个光子。在克隆完成之后,此振子回到零点振动态|0>。 现在我们形式地引进克隆算符★,从光子与电偶极子相互作用的规律看,下列形式的等式总是成立: ★|A>|s>=★|A>(a|v>+b|h>)=|0>|(a|v>+b|h>)(a|v>+b|h>)>=|0>(aa|vv>+2ab|vh>+bb|hh>) 这式表示克隆算符与量子的叠加各成分的关系不服从乘法分配律,所以它不是线性算符,即他们提到的“拷贝的固有非线性”。现在把对偏振垂直分量和平行分量的克隆过程写成: ★|A>a|v>=|0>aa|vv> 和 ★|A>b|h>=|0>bb|hh> 现在做一个算术运算,把这两式加起来,得 ★|A>a|v>+★|A>b|h>=|0>(aa|vv>+bb|hh>) 这个运算无疑完全正确,毫无问题。但是,既然★不是线性算符,则 ★|A>a|v>+★|A>b|h> 不等于 ★|A>(a|v>+b|h>)=★|A>|s> 它们本不相等,也就不存在逻辑上的矛盾,况且形式上加出来的纠缠态无物理意义。显然,他们所述的“按照量子力学,这个变换应该用线性(事实上么正)算符表示”是对叠加原理的误解和误用,从而得出“单量子不能被克隆”的结论。因此,沃特斯和祖瑞克,还有狄克,否定超光速通信的可能性无需以牺牲量子可克隆性为代价,而且,他人由这个定理推论的量子加密绝对安全论断也不成立。还有,量子态不可删除定理与不可克隆定理的证明同出一辙,故不可删除定理也不成立。 这个所谓定理影响巨大,我们转引“创新者的报告第1集”上郭光灿,段路明和李传锋的文章中的一段话:“量子不可克隆定理确保了量子密码的绝对安全性,现有的量子密码术所使用的信源均为非正交量子态,任何窃听的行为都必然会被合法用户所发现,因此量子密码原则上可以提供不可窃听、不可破译的保密通信体系。一旦量子计算机研制成功,现在所使用的密码体系(如RSA体系)将不再是安全的,信息的安全性只能借助于量子密码术。”这似乎是一个站得非常高、望得非常远、看得非常准的论断。不过,如果量子不可克隆定理不成立,那么这个高瞻远瞩不就是一句假大空话了吗。郭光灿院士最近谈到:量子密钥是绝对安全的,理论上得到了证明,在各个国家实验室的实验,也被证明是绝对安全的。不知道如何用实验证明的,有过多少个破解试验?不必说,穷尽一切破解试验是不可能的。或者有什么其它决定性实验?对量子加密绝对安全性的顶礼膜拜实在有点荒谬。当然,量子加密可作为一种新的加密方法去探究,但是如果把它置于如此的非常地位,并急于产业化,问题可就大大的。人力财力已经投入不少,还在大量投入,包括他们长期持续对量子力学理解的误导,“量子不可克隆定理”带来的危害不小。这里的观点可能会让很多人感到意外,作者强烈希望能招来批评,引起热烈讨论,以利共同加深对量子力学的理解,以及促使其应用的健康发展。 (作者:王国文,北京大学物理学院,2009年11月8日) 17 octubre 《页边集》之欧阳颀的热学《页边集》 《页边集》之欧阳颀的热学
欧阳颀的《热学》(之一) 1.受到postdoc导师的影响,欧阳极其喜欢Van der Waals方程,“抓住了真实气体的主要特征”,“具有物理背景的修正”。而Kamerlingh Onnes的级数展开修正“没什么物理意义,只是fitting,我们做科学的就甭学了”。 2.等温压缩系数必须大于零,“你如果能找到一物质,越压它越大,kappa小于零……那你就打破了热力学第二定律”。 3.推导alpha(体膨胀系数) beta(相对压力系数) kappa(等温压缩系数)关系时候,想不起来名字了,“那个狗……叫什么来着?” 4.举一例题,计算一个人吸入的一口气中有多少分子是从另一人口中呼出的,“一口气”数据给了1升,解释曰“张飞在长坂坡大吼一声,肺活量大,吐了一升气。”不过好像一般肺活量都两千三千四千的…… 5.推导气体压强的微观解释,涉及到求一个斜柱体的体积,“在美国讲课都没法讲”,学生连柱体体积都不会算,“啊,就知道母线长乘底面积”。而后论述了中美学生的差异。 6.“你为什么觉着热啊?因为粒子在打你。打得太狠你就疼了,打得太少你也不舒服。——这人也真是贱。” 7.“挪威有个国王,有钱,还爱科学;咱中国,也就康熙还爱科学,康熙死了,就完了。” 8.Poincare曾经花5万克朗买回自己已出版的错误论文。 9.讲到Boltzmann,“咱这课程里有~几个自杀的。Boltzmann要是知道自己的理论这么辉煌,大学必修,他就不自杀了”。刘川的讲义还给了个图,“Boltzmann自杀的意大利Duino海滨。寂静美丽的亚得里亚海显然无法平复他内心的痛苦。他在此度假时选择了自杀。当时他的家人正在海边游泳。” 10.讲醉鬼问题,random walk,说基本假说是醉鬼走的方向完全不可预计,“如果不是完全不可预计,比如,这儿有个非常漂亮的女的,反而就推不出东西了”。 11.对元培学生享有某些特权表示不满,“元培是学校的宝贝”,举例说jun政基金中元培要占多少比例云云。 12.向众人强调交作业的重要性,不交作业的话,计分“成几何级数递减,趋于无穷小了但总还有点值”。 13.讲Brownian运动的解,一共有三个人做过这项工作,依次是Einstein 1905, Smoluchowski 1906, Langevin 1908,说中间那人“名字比较难念,干脆就Einstein算了”。想起上学期戴波老师的线性代数,丘惟声老师的书上有“Cauchy-Buniakowski”不等式,戴说,“后面那人名字太难念了,就叫Cauchy不等式了吧”。从这个故事中我们知道,要想当名传后世的科学家,名字起得千万要简单好念。另外,据说,据刘川说,Langevin和Madame Curie“有一腿”。 14.介绍两位助教,“谢大侠”,“娄大侠”。从后来的故事看,这俩兄弟挺憋屈的。 15.讲随机事件,举例,掷硬币,“要是毛主席像冲上……诶,好像没毛主席像了啊”。 16.“赌场就是给智商低下的人收税的地方。” 17.让各班选出个“班长”来商量个什么事情,没人愿意,欧阳补充“班长和雷锋的相关性比较大”。 18.展示Boltzmann墓地照片,“Boltzmann以身殉科学之后,人家给他立了个碑”,微观熵公式 S = k logW。 19.助教在黑板上写作业题号,欧阳看了不满意,“谢**写得tm女人字”。 20.九院,计算物理所,专门做原子弹的。不让做核试验了就用计算机模拟。 21.泻流的详细计算,云里雾里一通讲,最后总结,“考试肯定不出这题”。 22.某日,有感而发,“当律师必须会转笔,terrrrr一下就转过来了”。 23.介绍量子气体,不考,“从此之后的内容都不作考试要求,困了可以睡觉……要不出去抽大烟去也行”,“大家嗑嗑瓜子喝喝茶啊”。 24.把能级比作楼层,解释量子化,“不许睡在楼梯上,睡在楼梯上物业不干”。话筒总出问题,不能连续调音量,“这是量子态”。 25.关于量子力学,“体会到现在,反正我还是不懂,基本图像是非常诡异的”。想起曾谨言先生说他会个六成。 26.说起Feynman,怕大家不知道是谁,就介绍了一句,“就美国……已经死了的那个……”。想起一个研究低温物理的老先生,提到Feynman时是这么说的,“Feynman,啊,就是Lectures那个Feynman”。 27.Fermion气体有简并压,“最重要的作用是让我们还能站在这儿”(金属中自由电子Fermion气体简并压承受压强),“Fermion的自私让我们还能站在这儿学习”(Pauli不相容原理)。 28.Bose-Einstein凝聚据说提供了以量子态传递人的信息并异地重构的可能性,“我希望我不那样”。说都不会话了。 29.欧阳说他在法国呆过一阵,极其讨厌de Broglie,“他学什么狗东西的,我忘了”,说此人根本不懂物理,只是“闭眼睛一猜”,发paper提出物质波假说,就得了Nobel奖,号召大家“使劲闭眼睛,说不准就猜出个Nobel奖”。“法国的科学由此毁灭,就是因为这de Broglie,特别容不得人。” 30.说Pauli认为理论越怪异越好,曾对某人说“你这个理论很好,但还不很怪异,所以不是非常好。”但似乎不太对,Pauli同学一生两大失误是拒绝接受电子自旋以及宇称不守恒,都是极度怪异的东西。 31.理想气体模型的内在矛盾要马虎过去,“粒子间没有相互作用,能量somehow可以自由交换”。 32.“政治上就是谁官大谁说了算。” 33.证明平衡态下两粒子相对速度同样服从Maxwell分布,从牛顿第二定律开始推导,“牛二说什么呢”。 34.讨论气体分子自由程(不发生碰撞自由飞行的距离)分布,“这好像和车祸是一回事,我在美国每5年一次车祸,挺准的,正好是平均值”。说接电话也满足Poisson分布,“你现在接电话与你下一次接电话无关,除非是你女朋友给你打的。” 35.“世界上很少有物理系的人不学流体力学的,北大特色。”(北大流体力学选修) 36.输运系数的微观解释,最后得到的结果输运系数与温度的若干次幂成正比,指数差的比较远,欧阳注明“定性符合!”,解释“我加一个带有讽刺意味的惊叹号,这只能算正相关了吧”。说误差源于分子作用势的刚球假设,“再往下就不是你们能推的了,也不是我能推的了,再往下讲就是一百个人听课,出去一百零一个都不明白”。 37.说到分数,“我当然愿意给你们一百分了,多有成就感啊。”(审批jun政基金申请时候)“GPA 3.85 3.89一片一片,也就物理实验课每班只给三个A,成绩还低一点。” 38.“今年千金毕业”,要去美国参加毕业典礼,要调课。美国毕业率不像中国这么高。 39.“上奥赛数学班是摧残儿童。” 40.说Boltzmann生前总是偏头疼,“我也偏头疼,这疼起来还不如死呢”。想起了高崇明老师所说的那个故事。参普通生物学页边集之36 41.讲Mayer发现能量守恒原理的过程,“他发现欧洲人的血比较暗,发现非洲人的血比较红,他就想啊想啊想啊就想出能量守恒了“,”这跟de Broglie差不多,幸亏他没得逞”。“Joule做了四十年的实验,寻找热功当量。能量不说多少Mayer,是说多少Joule。”还说Mayer的研究成果是自费发表的,“不知道算不算SCI”。 42.永动机,“十八世纪好些这种专利,到现在还有违反热力学第二定律的专利,还有好些大~科学家支持”。 43.准静态过程,足够缓慢,“比乌龟走得还慢”。 44.教材上把Joule-Thomson效应中的温变比压变的系数简称为“焦汤系数”,欧阳评论曰“中国人老爱弄这个,什么五讲四美八荣八耻的,到现在还背不清楚”。理想气体的Joule-Thomson系数为零,“如果用理想气体做冰箱那你就惨了”。 45.“有人跟王稼军告状,说我数学太多,物理作为定量科学,必须采用数学工具……珐纶功倒是可以没数学……” 《页边集》之欧阳颀的热学《页边集》 《页边集》之欧阳颀的热学
欧阳颀的《热学》(之二) 46.教室里闷热,“大家该睡的睡,我都快讲着了”。 《页边集》之林宗涵的热力学统计物理学,丁浩刚、俎栋林的电动力学和曾谨言的量子力学《页边集》 《页边集》之林宗涵的热力学统计物理学,丁浩刚、俎栋林的电动力学和曾谨言的量子力学
林宗涵的《热力学统计物理》
丁浩刚的《电动力学》
俎栋林的《电动力学》 1.俎老师是用公斤为单位来算光子质量的。 8.俎在讲相对论那章的时候,提到了去年(讲课的当年)是05年国际物理年,然后自然而然地就问我们知不知道为什么了。大家就很配合地说‘爱因斯坦的相对论发表100周年”。俎很满意地回了一句“没错。不过除了这个还有一个原因,就是相对论发表这么多年来,一直有一些反相对论者天天叫嚣着相对论的错误。甚至还给出证明。今年这个物理年一方面是要纪念爱因斯坦相对论发表,另一方面更是要狠狠地’打压‘一下这群反对相对论的人!”(咬牙切齿状)
曾谨言的《量子力学》 7.曾建议大家直接计算l(不用r×p),并脸现阴险笑容…… 10.曾:一本书如果99%的内容都是对的,就是一本很好的书。 44.原子核比较迟钝,电子运动很快。曾比喻说,原子核是猪八戒,电子是孙悟空。 45.曾去了“阿基米德杯”游泳比赛。 46.曾在文革期间没有批过他的任何一个老师。 47.Rutherford的数学只有高中水平。学过解析几何,知道双曲线。 《页边集》之杨泽森的高等量子力学和李重生的规范场论《页边集》 《页边集》之杨泽森的高等量子力学和李重生的规范场论
杨泽森的《高等量子力学》 9.杨说有人学完量子力学之后变成了文盲。
李重生的《规范场论》 11.上课半途突然停电。李破口大骂。 21.李高度评价何祚庥反伪科学。 26.李以为上的是一二节课,发现已经11:30了,大惊失色。 36.李:数学界的人相互吹捧,因此评上院士的人也多;高能物理界的人相互贬低,几个院士压制新人。 50.李:我打听清楚了,郑老师出差了,你们下两节没课,咱们接着讲…… |
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