5、量子世界：从基础原理到计算机应用

量子世界：从基础原理到计算机应用

1. 量子力学基础原理

量子信息科学中有几个重要的原理，这些原理构成了量子世界的独特特性。

1.1 不可克隆定理

不可克隆定理指出，量子态不能被直接复制。测量量子态会使其从量子态转变为经典的、确定的状态，仅仅观察或测量量子态就会改变它。这并不意味着“复制”无法完成，只是必须间接进行。

该定理对量子计算有诸多影响。负面方面，在量子计算过程中，无法像经典计算机那样备份量子态，这使得量子计算机和网络设备的复制和纠错更加困难。而在正面方面，它对量子密码学非常有利，能防止许多在经典世界中容易发生的窃听情况。

1.2 幽灵般的纠缠

量子纠缠是一种常被认为最怪异的量子特性，连爱因斯坦直到去世都对此感到困扰。当一对量子粒子中的一个粒子的量子属性（如偏振、自旋、动量或电荷）发生变化时，另一个粒子的相应属性也会立即以可预测的方式改变，即使两个粒子相隔很远。爱因斯坦称其为“幽灵般的超距作用”。

需要注意的是，纠缠是一个只读的测量过程。科学家测量一对粒子中一个粒子的属性时，另一个粒子会有相同的测量结果。但如果试图操纵纠缠粒子以获得特定的新状态，纠缠就会立即被打破，我们只能读取信息而不能传输信息。

在自然界中，纠缠是一个自然过程，只要量子粒子相互作用就会发生，且会随着遇到的粒子增多而增强，难以阻止。为了进行量子测试，科学家通常会有意创造少量的量子纠缠，为此他们会努力隔离实验环境，以防止不必要的纠缠。常见的实验纠缠方法之一是将一个高能光子分裂成两个低能光子。

爱尔兰物理学家约翰·S·贝尔通过一系列实验加强了量子纠缠理论，他排除了爱因斯坦所假设的“隐