从黑洞到夸克到量子计算机 ──关于量子不可克隆定理的扩展运用
王德奎 ( 绵阳日报社,四川绵阳,621000 ) 摘要:黑洞、夸克、量子计算机,是至今科研攻艰战中,讨论得最为热烈,而又类似可望而不可即的物体。但如果把量子计算机信息论的成果运用于黑洞、夸克、量子计算机的统一进程,用“克隆与不可克隆”对环量子三旋作出解释,反过来就能用环量子三旋对黑洞、夸克、量子计算机作出统一的研究。而黑洞、夸克、也类似量子计算机,是一个把“不可克隆”的问题,转化为一个可观察、测量的“克隆”问题。 关键词:黑洞、夸克、量子计算机、量子不可克隆定理、三旋理论
一、黑洞、夸克、量子计算机的统一进程 黑洞、夸克、量子计算机,是至今科研攻艰战中,讨论得最为热烈,而又类似可望而不可即的物体。例如,长期以来量子计算机被认为不可进入实际应用,而物理学家们在研究夸克时也发现一个奇怪的现象,那就是从没有发现过自由的单个夸克,只有2个或3个夸克的集合体才能处于自由状态,通常情况下夸克总是被约束在质子和中子内部。但2004年诺贝尔物理学奖,却也能授给被称为“夸克世界中的一个多彩发现”的3位发现“渐近自由”现象的美国科学家。而且这类给有关夸克研究授诺贝尔物理学奖已经进行过多次,但给黑洞和量子计算机方面的研究授诺贝尔奖,却一次也没有过。 霍金是对黑洞理论贡献最为杰出的科学家之一,他在解释他没有授予诺贝尔奖的原因是,天文实验还没有直接观察到黑洞。但与还没有直接观察到自由的单个夸克相比,这并不是理由;况且,天文实验间接观察到黑洞现象经常有报导,这与间接观察到夸克现象相似。 黑洞是现代科学于两百年前发现的宇宙天体,到1964年美国物理学家盖尔曼提出“夸克模型”,再到1994年国际上对量子计算机引起高度关注,这三者类似可望而不可即的物体有一个共同点,就是一些复杂的数学工具指明了它们与“量子态不可克隆原理”有联系。有人认为,研究黑洞的现代方法主要依赖两点,一是天文观测,二是用量子物理的理论方法来研究分析与计算并结论;然而关于微观世界的科学研究方法是否可以毫无顾忌地在宏观宇宙的研究中应用,科学界尽管过去从未提出正式的异议,但并不等于今后不会招致公开的反对,因为学界内关于量子力学的不赞同的声音总是此起彼伏。这些学界内持不同意见者举的对量子力学说不的最为典型的事例,竟然是量子力学的创立者之一的爱因斯坦说的“我不相信上帝在掷骰子”。这是一个笑话。因为其实这话,是爱因斯坦从宏观物质的清楚、精确的信息非常多,而不可克隆,说的对物质实体、实在、结构最为本质的看法。在信息时序与概率对偶性这一点上,爱因斯坦和玻尔并没有本质的分歧。下面就以“克隆与不可克隆” 范式,对微观物质和宏观物质作一下对比分析研究。 1、由于事物能“一分为二”或有“双重解”结构,例如物质可分为微观物质和宏观物质,我们也把信息“一分为二”,如结构信息观察、测量的事物不管是强“不可克隆”,还是弱“不可克隆”,一般是指“不可克隆”的结构交换。而交换信息观察、测量的事物不管是能强“克隆”,还是弱“克隆” ,一般是指能“克隆”的交换结构。所谓的观察、测量,其本质也是一个“克隆”问题。而量子计算机的计算本质也不类似 电脑是一个提高“克隆”质量的问题,而是一个把“不可克隆”的问题,转化为一个可观察、测量的“克隆”问题。因此,信息是除物质和能量外包含时序与概率的第三个“要素”,既能包容“对与错”,又能包容“克隆与不可克隆”的结构与交换。这里,包容“对与错”,就有“熵”的存在,也有不确定性的消除或减少。 2、从时序上来说,宏观物质“结构信息”如“人”,只能从“活”到“死”,不能从“死”到“活”。这是非常清楚、精确的信息;因一个“人”的清楚、精确的信息非常多,这是不能作假的,所以这个真“人”“不可克隆”,即真品克隆就成了赝品。但宏观物质“结构信息”的“人”的这种清楚、精确的信息虽然非常多,而类似发生从“活”到“死”的概率少,且类似发生相同信息的间隔也大,所以是一种弱“不可克隆”。因此对“交换信息”的“人”,是可以克隆的,例如戏剧、电影,拌演真人的演员这种克隆“人”,就可以从“活”到“死”,也可以从“死”到“活”。其原因不光是改变了时序问题,而且还存在“速度”问题。从速度上来说,宏观物质一般远离“光速”,“结构信息”的“人”也远离“光速”,因此“交换信息”的“人”容易“克隆”,而且这是一种强“克隆”。 3、再说微观物质,由于存在不确定性原理,量子存在涨落,因此好似不清楚、精确的信息非常多,容易克隆,即如俗话说的:“画鬼易,画人难”,因为人,大家清楚,而鬼大家不清楚,可随便画。但事实上,从时序上来说,“结构信息”的“量子”不但能从“存在”到“消失”,而且也能从“消失”转到“存在”,这些清楚、精确的信息非常多,因此“量子”克隆既难又不容易。其次,从速度上来说,微观物质一般接近“光速”,“结构信息”的“量子”也接近“光速”,量子涨落的速度也接近“光速”,而且这种类似相同信息发生的间隔小,概率又多,因此“量子”是“不可克隆”的;而且这是一种强“不可克隆”。是否“交换信息”的“量子”也不可克隆的呢?这要取决于具体情况。否定随机性的学者认为,随机性并非无序性;在真正的无序系统中,小误差会以几何级数迅速发展,所以类似掷骰子的随机或概率是由两个原因引起的,一是像掷骰子一样,人们不知道它的初始状态;二是它的无序运动。 量子不可克隆为量子编码的绝对安全性提供了基础,但也存在概率误差迅速发展的环节。这让我国以郭光灿、段路明教授为首的科学家独辟蹊径,避开量子不可克隆的研究方向,提出了“量子概率克隆机”,这一理论随后被国际许多著名的实验室所证明,被誉为“段-郭概率克隆机”,他们推导出的最大概率克隆效率公式,被国际上称为“段-郭界限”。其原理是,量子态在超辐射的条件下会发生集体效应,能在消相干的环境下保持其相干性,这一研究成果被国际学术界称为“无消相干子空间理论”。他们运用“无消相干子空间理论”,在国际上首创了“量子避错编码原理”,从根本上解决了量子计算中的编码错误造成的系统计算误差问题。即这里“交换信息”的“量子”的克隆,是一种弱“克隆”。 把量子计算机信息论的成果运用于黑洞、夸克、量子计算机的统一进程,是用“克隆与不可克隆”对环量子三旋作出解释,反过来就能用环量子三旋对黑洞、夸克、量子计算机作出统一的研究。 二、夸克的环量子三旋模拟研究 从20世纪50年代末起到整个70年代,笔者用环量子三旋研究夸克和量子色动力学,得出了许多与此相似的结果。例如以环量子三旋演示“距离”和“色力”的相互关系,类似圈套圈的结构在环圈半径的范围内,圈子之间有“渐近自由”,但要超出圈子的大范围,阻力就会突然增大。与此同时的夸克“渐近自由”理论认为,强作用力会随着夸克彼此间距离的增加而增大,因此没有夸克可以从原子核中向外迁移,获得真正的自由。通俗地说,这一现象有点像拉一根具有弹性的橡皮筋,橡皮筋拉得越长,其产生的力量越大,人拉起来也更为费劲。同样根据“渐近自由”理论,强作用力会随着夸克间距离的变小而减弱,这意味着,约束在质子等内部的夸克在彼此距离足够小时将近乎自由地进行运动。因此环量子三旋与夸克“渐近自由”理论有异曲同工之妙的类似。 目前物理学认为,夸克等是比质子和中子等亚原子粒子更基本的物质组成单位,夸克等组成了质子和中子,中子和质子又形成原子核,最终产生原子以及今天的宇宙万物。这是在电子、质子、中子发现之后,人们普遍认为它们是构成物质的终极单元的“基本粒子”。但随着介子和超子在20世纪40到50年代的陆续发现,基本粒子的家族迅速扩大,这些粒子绝大部分是强作用粒子,简称强子。1955年日本物理学家坂田提出了一个结构模型:强子中只有质子、中子和超子三种是基础的粒子,由它们构成其他所有的强子。坂田模型存在一系列困难。盖尔曼的“夸克模型”就改造坂田模型,提出强子是由三种具有SU(3)对称性的组分构成的,这些组分就称为夸克。即夸克是量子。而1982年,Wotters和Zurek提出所谓的量子不可克隆定理,即一个未知的量子态不可能被完全精确复制,这当然也适合于夸克。环量子三旋要演示夸克态的不可克隆,基于的是球面和环面在拓扑上不一样。也就是说:把球面拉拉扯扯,只要不破不粘上其它东西,它可以变大、变小、变长、变扁,但还是个球面,总也变不成环面;反过来,环面经过弹性变形之后也变不成球面。象球面和环面这两种在拓扑上不同的曲面区别,深化了微观物质“结构信息”的整体性观念,通过三旋及转座子方法,可以找到了一种基于对称原理的严格数理性证明:①自旋:有转点,能同时组织旋转面,并能找到同时对称的动点的旋转。②自转:有转点,但不能同时组织旋转面,也不能找到轨迹同时重复的旋转。③转动:可以没有转点,不能同时组织旋转面,也不存在同时对称的动点的旋转。按以上定义,类似圈态的客体(简称类圈体)存在三种自旋:A、面旋:类圈体绕垂直于圈面的轴的旋转;B、 体旋:类圈体绕圈面内的轴的旋转;C、 线旋:类圈体绕圈体内中心圈线的旋转。以上三种旋简称三旋。正是从严格的语义学出发,才证明类圈体整体的三旋是属于自旋,而类圈体的部分(即转座子)不是在作自旋,而仅是作自转或转动,即整体与部分是不同伦的。在类圈体表面用经线和纬线画出网块,即把类圈体分成环段,再把环段分成格,做成一种象魔方那样能转动的魔环器,这种网块就是转座子(即子系统)。任取一网块都能在类圈体面上沿体内中心圈线作面旋;绕体内中心圈线作线旋;或随同圈体整体作体旋。并且这三旋还可两者、三者交叉组合运动。另外,转座子还可在圈面局部地区作圆圈运动,即局部旋。但与有26个转座子54格面的魔方相比,同样转座子数和着色的魔环器旋转,由于线旋时表面积还可变,就比魔方的4325亿亿余种图案变化还要多得多。在这里,转座子可以看成魔环器系统的子系统;反之,魔环器系统的子系统就是转座子。在物质演变的各种层次,三旋现象都存在。微观层次,环量子三旋“不可克隆”是显然的。在宏观层次,由于魔环器线旋时转座子在内外的表面积要变化,也能证明类似的魔环器难制造,而“不可克隆”。 所以微观层次环量子的三旋,本质上是一种量子计算机;环量子三旋对夸克的理论和实验模拟研究,其本质也类似量子计算机是一个把“不可克隆”的问题,转化为一个可观察、测量的“克隆”问题。 |