量子力學，沒那麼復雜

圖片說明：根據量子力學理論，粒子可以表現出波的特質，反之亦然。近日，研究人員發現，這種「波粒二象性」（wave-particle duality）僅僅是量子力學不確定性原理（uncertainty principle）的另一種表達。圖片來源：Timothy Yeo / CQT，新加坡國立大學（National University of Singapore）

 

有一條令人振奮的消息：量子力學沒有我們想象的那麼復雜。日前，一個國際研究小組研究表明，量子世界之前看上去完全不同的兩種特質實際上只是一種特質的不同表現而已，這一研究結果發表於2014年12月19日的Nature Communications雜志。

 

在新加坡國立大學（National University of Singapore）的量子技術中心（Centre for Quantum Technologies），Patrick Coles、Jedrzej Kaniewski和Stephanie Wehner共同完成了這一突破性研究。他們發現「波粒二象性」（wave-particle duality）實際上就是不確定性原理（uncertainty principle）的另一種表達，這一發現使量子物理學領域兩個難以理解的定理合二為一。

 

荷蘭代爾夫特理工大學（Delft University of Technology）量子物理學副教授Wehner說：「當人們開始思考可以從一個系統中獲取哪些信息時，會很自然而然地得到波粒二象性和不確定性原理之間的聯系。我們的研究結果強調了從信息角度思考物理學問題的力量。」

 

這一發現加深了我們對量子物理學的理解，並為波粒二象性的應用提供了新思路。

 

波粒二象性是指量子物體具有波的特質，但當人們嘗試定位該物體時，此種波的特質隨即消失不見。很簡單的一個例子就是雙縫實驗（double slit experiment）。實驗中，單個粒子（例如電子）被發射到一個含有兩道狹縫的屏幕上。狹縫後的粒子並不像普通物體那樣堆積，而是呈現出類似於波的干涉那樣的條紋圖案。而當人們試圖觀察單個粒子如何通過狹縫時，波的干涉圖案便會消失。

 

不確定性原理是指，對於一個量子粒子，人們不可能同時觀察到它的兩種屬性。比如，如果人們對原子位置的測量越准確，那麼對原子運動速度的測量就會越不准確。這是對基本的自然可知論的一種限制，而不僅僅是對測量技術的一種判斷。該研究顯示了人們可以在何種程度上用完全相同的方式了解一個系統波的特質及粒子的特質。

 

自20世紀初以來，波粒二象性和不確定性原理一直都是量子物理的基本概念。加拿大量子計算研究所（Institute for Quantum Computing）博士後研究員Coles說道：「我們根據直覺判斷，這兩種性質之間一定具有某種聯系。」

 

現在可以使用方程描述不確定性原理對粒子雙重特性的影響。Cole、Kaniewski和Wehner是研究「熵的不確定關系」（entropic uncertainty relations）的專家，他們發現之前所有用於描述波粒二象性的數學關系式都可以使用此關系重新描述。

 

「這就類似於人類所發現的兩種語言之間的聯系——『羅賽達石』（Rosetta Stone）一樣。」Cole說道，「文獻中關於波粒二象性的描述就像象形文字一樣，很難理解，我們可以將其轉化為熟知的母語。在幾次頓悟之後，我們終於明白了其中內涵。」

 

在此之前，熵的不確定關系也用於檢驗量子密碼學的安全性。量子密碼學是一種使用量子粒子進行安全通訊的方式，因此研究人員認為，該研究同時還會大大激發人們對新的加密協議的研究興趣。

 

在早期的論文中，Wehner及合作伙伴發現了不確定性原理和其他物體定律之間的聯系，例如量子的「非定域性」（non-locality）和熱力學第二定律（second law of thermodynamics）之間的聯系。研究人員的下一個目標是將這些零散的研究相互結合，用來更好地描述自然界。