量子非定域与量子互文性的研究

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这篇论文广泛地研究了量子非定域性和量子互文性等量子理论中的若干基本问题。文中通过提出多种方案和方法(非相对论和相对论情形、离散和连续变量、非全同粒子和全同粒子)来展示定域、非定域,以及非互文隐变量理论与量子力学的不相容性。这种不相容性的含义及其潜在的应用价值也有详细的讨论。这篇论文尝试更加深入地理解量子力学,为可能出现的新的理论发展提供一些准备。  首先,第一章对量子理论中的几个重要问题和后文中涉及到的基本概念提供了一个简明介绍和历史回顾。然后,在第二章证明:给定一个多体混合态,如果至少存在两个局域观测者具有EPR操控能力(即,这两个局域观测者中的每一位都能通过对自己手中的粒子做不同的测量而把其他观测者的粒子状态整体上塌缩成两个不同的纯态),那么,量子非定域性将等价于量子纠缠。这个结果是一种加强版本的Gisin定理(原始的Gisin定理表述为:所有纠缠纯态都具有量子非定域性)。满足加强版本Gisin定理的量子态可以用到三体秘密共享方案中来。这类新的量子态在实际中用到的只有两体纠缠,可以有很高的制备纯度,不像在以前的方案中,必须要三体纠缠,其制备纯度一般不高。这个结果将极大地提高类似方案的可行性。  贝尔不等式的推导基于定域实在论。而量子力学是能够破坏贝尔不等式的,这意味着定域假设或者实在假设是有问题的,或者二者均有问题。另一方面,Leggett不等式的推导基于一大类的非定域实在模型。相应地,Leggett不等式的破坏很大程度上意味着量子力学既不是定域实在的,也不是非定域实在的。第三章描述了一个通过AC效应探测Leggett不等式破坏的方案。其中,AC具有动力学非定域性。在这个方案中,四个纠缠粒子从两个粒子源中释放出来,呈现出一种两体类型的量子关联,从而破坏Leggett不等式,同时仍然满足物理信号不能超光速传递的条件。而且由于AC效应的拓扑性质,这一方案对一些局域误差有一定的容忍能力。  第四章提出了一个推广的Svetlichny不等式。具体来说,基于部分可分条件的定域-非定域混合隐变量模型,能够推导出一组任意粒子数、任意高维度的贝尔类型不等式。部分纠缠的量子态不会破坏这个不等式,于是,不等式遭到破坏将意味着粒子态是全纠缠的,它们之间的量子关联是真实多体关联。  接下来,第五章数值检测了对不同的相对论惯性参考系下的二能级量子系统的定域隐变量模型。选取合适的动量后,两体非最大纠缠态的量子非定域性随着洛仑兹变换会极大地被削弱,而三体全纠缠量子态相对较为强壮。其中,广义GHZ态对于任意维格纳转动下仍保持非定域性,广义W态在极小范围内是有可能存在定域隐变量模型的。  在非互文隐变量模型中,测量结果不依赖于与之相容的其他观测量的测量。量子理论的一个有趣特性在于:它与非互文隐变量模型并不相容。第六章研究量子谐振子的量子互文性。量子谐振子的任意本征态,包括以此为基础构建的相干态和压缩态,均破坏非互文不等式,由此展示出谐振子系统的互文性。基于连续变量的量子态,互文性还可以存在“态无关”的证明。  非相对论自旋1/2的粒子的量子性可以用非互文隐变量来描述。然而,库伦势中的相对论电子会自然出现量子互文性。这种互文性同样可以通过非互文不等式的破坏来探测。对自由狄拉克电子和相对论狄拉克振子也有类似的结果。这些问题在第七章有详细的讨论。  尽管目前为止存在许多关于量子互文性的讨论,但人们对于全同粒子的互文性所知不多。第八章提出一种简洁而系统的方法,通过任意维希尔伯特空间下的投影测量,得到量子互文性,同时包括以前曾经认为无法得到互文性的二维量子系统。这套方法既适用于单个费米子,也适用于多个费米子和复合玻色子。另外,这套方法还清晰地展示了互补性和互文性这两种关系并不明显的量子性质的一个内在联系。
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