月度归档:2011年10月

量子计算机、纳米量子计算机将使人实现永生

这起码得在几十年后才能实现。这得先实现真正意义上的量子计算机,然后再实现纳米量子计算机(以下简称纳米量算),纳米量算体积足够小,功能足够强大,功能发挥得极致时,一个纳米量算就可以存储一个成年人的所有信息:包括全身的生物细胞信息、大脑的所有记忆。

一般的非量子纳米计算机就已经可以有以下很多作用:利用纳米机器将获取的碳原子逐个组织起来,变成精美的金刚石;将二氧化物分子重新分解为原来的组成部分;在人血中放入纳米巡航工具,它能自动寻找沉积于静脉血管壁上的胆固醇,然后将它们一一分解;将来纳米机器能够把草地上剪下来的草变成面包……在完全意义上讲,世上每一个现实存在的物体无论是电脑还是奶酪都是由分子组成的; 在理论上,纳米机器可以构建所有的物体。

纳米技术学家期望实现这些存在于科学陈列室中的想法,创造出真实的、可以工作的纳米机器。这些纳米机器有微小的“手指”可以精巧地处理各种分子;有微小的“电脑”来指挥“手指”如何操作。“手指”可能由碳纳米管制造,它的强度是钢的100倍,细度是头发丝的五万分之一。“电脑”可能由碳纳米管制造,这些碳纳米管既能做晶体管又能做连接它们的导线。“电脑”也可能由DNA制造,用适当的软件和足够的灵巧性进行武装的纳米机器人可以构建任何物质。

纳米机器人执行任何任务包括自身复制都必须动用大量的纳米机器。血液里可能存在数以百万计的纳米机器人;在每一个有毒废物地点可能需要数以万亿计的纳米机器人,要制造一辆汽车可能要调动数以一百亿亿计的纳米机器人同时工作。然而没有一个生产线可以生产如此巨大数量的纳米机器人。

但是纳米科学家眼中的纳米机器可以做到这点。他们设计的纳米机器人可以完成两件事情:执行它们的主要任务和制造出它们自身完美的复制体。如果第一个纳米机器人能够制造出两个复制体,这两个复制体每个又可制造出两个自己的复制体,很快就可以获得万亿个纳米机器人。

但是,假如纳米机器人忘记停止复制会发生什么?如果没有一些内建的停止信号,纳米机器人忘记停止复制这种灾难的可能后果将会是无法计算的。纳米机器人在人体内快速复制能够比癌症扩散还要快地布满正常组织;一个发疯的制造食物机器人能够把地球的整个生物圈变成一块巨大的奶酪。

纳米技术学家没有回避危险,但是他们相信他们能控制灾难的发生。其中一个办法是设计出一种软件程序使纳米机器人在复制数代后自我摧毁。另一种办法是设计出一种只在特定条件下复制的机器人,例如只有在有毒化学物质以较高浓度出现时机器人才能复制,或者在一个很窄的温度和湿度范围内机器人才能复制。

就像电脑病毒的传播一样,所有以上这些努力都无法阻止那些不怀好意的人有意释放某种纳米机器人作为害人武器。事实上,一些批评家指出纳米技术可能的危险要大于它的益处。然而,仅仅这些利益就已经太具诱惑力了,纳米技术必将超过电子计算机和基因制药而成为新世纪的技术发展方向。世界可能会需要一个纳米技术免疫系统,这个系统中纳米机器人**不断地在微观世界中同那些不怀好意的机器人进行战斗。

从第二段到以上一段说的都只是一般的非量子纳米计算机,之所以说了这么多是因为纳米量算比以上描述的一般的非量子纳米计算机强大亿亿亿倍以上,这归根于纳米量算的计算速度和存储能力的天文级别的强大。回归正题,一个功能发挥得极致的纳米量算就可以存储一个成年人的所有信息:包括全身的生物细胞信息、大脑的所有记忆。纳米量算还可以摄取周围的物质例如土壤、空气、植物、塑料的原子和分子而重塑出任意需要的分子和物质,例如人体的各种蛋白质和细胞所需分子和物质。换句话说:就是只要还有一个此人身上的纳米量算存在,这仅剩的一个纳米量算就可以通过摄取周围土壤、植物和周围环境的物质和分子来还原出原本整个人,包括他的完整记忆。这比七龙珠里的魔人布欧还厉害得多。

纳米量算还可以吸取太阳能和热能、电磁能、空气分子动能等来满足自身的能量需求,还可以向各个方向喷发出光子或电磁波,根据冲量定理,纳米量算便可以向任意方向移动,在真空中也可以移动。从而即使某人被大卸八块甚至在宇宙真空中被粉身碎骨也可以还原。同时,由于纳米量算都可以在任意地方和方向移动,所以人类还可以实现飞,即使在没有空气的真空、太空中也可以。

这挺起来很疯狂,但是在100年前,有几个人能想象出今天的世界?为永生奋斗吧,人类。

【求证】商用量子计算机已经发布

作者:果壳问答 什么是量子计算机

量子计算机是基于量子力学的基本原理实现信息处理的革命性计算技术。

这个天才的主意最早是美国物理学家费曼于1982年提出的。他发现分析模拟量子物理世界所需要的计算能力远远超过了经典计算机所能达到的能力,而用实验室中一个可控的量子系统(比如:一台量子计算机)来模拟和计算另外一个我们感兴趣的量子系统(比如:宇宙),会非常高效。

量子计算机和普通计算机有什么不同?

与经典计算机类似,我们完成量子计算所操纵的最基本单元也是比特,只不过是量子世界的“比特”。与0和1组成的比特不同,量子比特可以处于0和1两种状态按照任意比例的叠加。形象的来看,量子比特其实是分布在一个单位球表面上的任意一个点。可见量子比特所包含的信息比经典比特多得多。而且,按照量子系统的可叠加性,多个量子比特也可以并行处理运算。

正是由于这些特殊的性质,量子计算机对某些特殊的计算任务有很高的效率,比如无序搜索和大数质因子分解等。

号称第一台商用量子计算机的“D-Wave One”

2011年5月,加拿大D-Wave公司的商用量子计算机“ D-Wave One ”被公布出来。据小道消息说,它已经卖了一台给美国的洛克希勒马丁公司,单价1000万美金。这个消息一经发布,在业内引起的轩然大波,因为大家一直以来都以为量子计算机的商用化还有很远的路要走。

那么它们所发布的到底是不是量子计算机呢?这取决于我们怎么定义量子计算机。

从已有的公开资料可以看出,他们的处理器是包含一部分量子效应的。在发布D-Wave One之前,他们在《Nature》上发表了 一篇论文 ,展示了他们所研究的量子处理器,里面包含8个量子比特,可以看到某些量子效应。据 他们的博客 所说,在完成某些计算工作时,比如离散最优化,这个机器可以运行“量子退火算法”——这会比一般的经典算法效率要高。因此,他们自称做出了第一台商用的量子计算机,也是有一定道理的。

但是另一方面,他们的D-Wave One并不满足人们对量子计算机的基本要求:通用性。通用性的意思是:量子计算机必须可以满足不同的计算要求,可以运行各种量子算法,比如说大数因子分解的Shor算法,搜索无序数据库的Grover算法等等。

不具有“通用性”的“D-Wave One”能被叫做量子计算机吗?

前文提到,最早研究量子计算机的,是美国物理学家费曼。他曾提出,可以用量子计算机来模拟研究一些复杂的量子现象,这被称为量子仿真。比如可以用来研究高温超导的本质,模拟黑洞的量子效应、中微子震荡等等。而事实上,几十个量子比特就已经可以做很多量子仿真工作了。

不过,上述这种“量子模拟器”只是针对某类特殊的问题而进行有针对性设计的处理器,并不具备通用性。

由此可见,D-Wave公司所发布的D-Wave One,本质上也是一个量子模拟器,只能解决某一类问题。量子模拟器是否属于量子计算机,可能更多是在概念层面上的争议。不过,这显然不影响D-Wave公司靠着量子计算机的名头开始赚钱。

满足“通用性”的量子计算机什么时候能做出来?

要实现通用的量子计算,我们需要实现量子信息的输入、运算和读出,同时保证这套系统是可靠的,并且可以不断地扩展,从而满足更加庞大的计算任务。而要同时满足上述条件,是极端困难的。

过去十几年,人们在实验上的探索就是如何实现前面的输入、运算和读出。最近人们更加关注如何让计算可靠、可以扩展变大,而这恰恰是最难的。要破解商用的RSA密钥系统,我们至少需要几百个量子比特。如果要让计算可靠,就需要更多的量子比特来运行纠错算法,所以一共大概需要1000个量子比特。根据本文作者掌握的资料,目前人们已经实现了16个量子比特的量子处理器。而要把这个系统扩展到1000个,同时保证计算是可靠的,还有很远的路要走。

要发展出具有上述能力的量子计算机,所需时间可以进行如下估计:1995年,人们做出了两个量子比特的处理器;15年过去了,我们刚刚增加到16个,增加了接近10倍。如果量子计算机的发展进程如同经典计算机一样,即其规模随时间指数递增的话,那么30年后,量子比特数会达到1000这个量级,通用的量子计算机有可能出现。当然这只是一个粗略的估计,未来究竟怎样发展,现在还无法确定。

(本文作者为果壳达人 尹章琦 )

 

 

量子计算机或成现实 :科学家研制半导体微型芯片

新闻来源:新浪科技
北京时间10月11日消息,美国莱斯大学科学家近日研制出一种微型的“电子高速公路”–“量子自旋霍尔拓扑绝缘体”。研究人员表示,这种微型设备将来可用于制造量子计算机所需的量子比特,这一研究成果将大大促进量子计算机的研究进展。

为了研制“拓扑绝缘体”,美国莱斯大学研究人员克尼兹在无尘室内度过了数百小时,不断实验半导体微型芯片。
为了研制“拓扑绝缘体”,美国莱斯大学研究人员克尼兹在无尘室内度过了数百小时,不断实验半导体微型芯片。美国莱斯大学物理学家杜瑞瑞和伊万-克尼兹近日在《物理评论快报》杂志上发表文章,详细介绍了制造这种微型设备的最新方法。这种微型设备正式名称为“量子自旋霍尔拓扑绝缘体”,可以用作“电子高速公路”,是量子计算机中产生量子粒子用来存储和处理数据的关键构件之一。

如今,传统的计算机采用“0”或“1”二进制数据。而量子计算机采用的则是量子比特,它可以同时代表“0”和“1”。这就是量子力学奇怪的现象之一。杜瑞瑞教授介绍说,这一特性让量子计算机拥有超强的计算能力。采用量子计算机,一些复杂的计算任务,如密码破译、气候模拟和生物医学模拟等,计算速度可比传统计算机快数千倍。

杜瑞瑞教授表示,“原则上,我们根本不需要太多的量子比特来制造强大的计算机。根据信息的密度,一个拥有10亿个晶体管的硅微处理器的计算能力大概相当于一个仅仅拥有30个量子比特的量子处理器。”在量子计算机的研制竞赛中,各国研究人员采用了许多种制造量子比特的方法。不管什么方法,一个普遍的问题就是如何确保将信息编码为量子比特而又不会因为量子波动而随时间变化。这就是一个容错问题。

这块半导体芯片包含了数百个微型“电子高速公路”,这种所谓的“电子高速公路”将来可用于制造量子计算机。
这块半导体芯片包含了数百个微型“电子高速公路”,这种所谓的“电子高速公路”将来可用于制造量子计算机。

杜瑞瑞等人所采用的技术就是“拓扑量子计算”。这种拓扑方案有望比其他类型的量子计算机容错能力更强,因为在一台拓扑量子计算机中每个量子比特都是由一对量子粒子制成,它们实质上拥有不可变的共享特性。需要特别指出的是,物理学家相信,这种粒子可以通过将像杜瑞瑞等人研制的“量子自旋霍尔拓扑绝缘体”与超导体结合研制而成。

拓扑绝缘体拥有一些奇怪的特性。尽管电流无法通过它们,但可以在它们狭窄的外边缘周围通过。克尼兹解释说,如果一小块拓扑绝缘体附于一块超导体之上,这种设备或可能用于生产制造量子计算机的量子比特。克尼兹花了一年多时间来完善这种技术,用于生产莱斯拓扑绝缘体。这种设备是利用商业半导体制成的。杜瑞瑞表示,这是首个利用物理学家已知的材料制成的两维拓扑绝缘体。“我们正在向量子计算机迈出了重要一步。然而,只有实验才能够证明它们是否适合制造稳定的量子比特。”

 

量子计算机量子论:对哲学的挑战!

摘自《纠缠的世界:量子信息与量子计算机的魅力》

编著:[德]尤尔根•奥璀兹  汉译:郑 中

 

“每章的作者都是相应领域的专家,他们对思想给出权威的阐释。”

《当代》杂志,20101

“这本专家论文选,广泛涉及有关量子主题,谋篇布局得当…推荐!”

《选粹》杂志,20066

量子世界中,粒子可表现为波动行为,因此看似同时处于两个位置。这当然与我们关于经典粒子的日常经验相抵触,那么对此如何理解呢?何谓量子纠缠?量子可克隆吗?量子密码术的基本原理如何?量子计算机原理如何?大脑内量子如何退相干?在经典世界与量子力学的过渡领域中发生了什么呢?量子论对自然哲学提出什么挑战?现在,本书以一种深入浅出的方式,回答了众多令人兴奋的问题,并指出这两大世界之间的联系,它对我们不久未来的日常生活将产生具体的实际影响,如提高和改变传统的信息处理方式。通过量子密码术的帮助,就可传达窃听证据。采用量子计算机,我们将可在很短时间内解决高度复杂的问题。本书作了较系统探讨和阐释,引人入胜,且带有丰富的插图,适合于一般大学生、研究生、自然哲学家,以及其它感兴趣的大众阅读。

 

 

 

 

10 量子论:对哲学的挑战!

迈克尔•艾斯菲尔德(Michael Esfeld

 

 

量子论从三个方面向自然哲学提出了挑战。一般而言,量子系统不局限于点或空间内任意小的区域。它们不是具有彼此独立特征的单系统,它们通过态纠缠关系而彼此连结起来,所以它们不是个体性的。因此,量子论建议自然哲学强调关系(relation)。贝尔定理将量子论公式与实验结果联系在一起,使我们认为这些关系不是基于内在性质的。量子论打开了认识论的视角,克服了关系二元论(dualism),这是容易理解的,而隐藏其后的内禀性对于我们却是未知的。基于量子论的自然哲学,可采用符合日常实在论的方式而得以阐明。

 

10.1 对自然哲学家的挑战

量子论在两个层面向哲学提出挑战:在自然哲学层面,即我们对自然的理解水平;在认识论层面,即采用我们能获得关于自然的知识的方式来考虑问题。首先,我将进入自然哲学,并简述量子论引起的变化。然后,我们将理清认识论,并说明对于经典哲学问题的解答如何起源于量子论。最后,我将讨论量子论所说明的自然观与具有宏观物体特征的常识世界之间的关系。

人所周知,艾尔伯特•爱因斯坦不相信量子论。他对自然的理解,促使他反对量子论,在1948年的一封短文中作了清楚的阐述。他说:

“而且,看来物理中不可缺少对事物引入约定,在某种特殊情况下,这些事物需要一种独立于其它事物的存在性,即这些事物‘位于空间的不同部分’。如果不假设空间遥远事物之间存在相互独立性(即‘自在’),那么物理思想源于日常思考的这种假设,在这个意义讲,就不可能为我们所熟悉。”(霍华德(1985),第187页;爱因斯坦(1948),第321页)

事物存在独立性也被称为“分离原理”(separation principle)或“分离假说”(separation hypothesis),它由爱因斯坦于1935619日致薛定谔的一封通信中提出(霍华德(1985)在第179-180页中引用),而现在我们称之为分离性原理(principle of separability)。我们假设在自然的基本层面上存在大量的单个事物,这些必然不是粒子,它们也可以是产生场属性的点。我们将这些事物命名为物理系统(physical system)。物理系统彼此独立的表述,具有如下含义:每个系统具有独立于其它所有系统的基本特征属性。意思是,这些属性独立于其它物理系统实际是否存在。因此,这是一个系统的内在性问题,这些属性在哲学上被称为内禀性(intrinsic property)。

通过因果关系可获得内禀性,问题在于这种内禀性有可能独立于其它事物。考虑一颗沙子的存在性,有可能导致我们世界中每颗沙子之间存在着一条因果链。这涉及到难以估量的其它事物,但这不妨碍如下事实:如果世界上只有一个事物,那么这个事物可能就是一颗沙子。因此,作为一颗沙子就是内禀性。

不仅如此,分离性原理得出如下结论:物理系统之间存在的关系,由各个系统的内禀性确定。让我们假设质量是一种内禀参量。保尔的身体质量为80kg,而彼特的身体质量为70kg。在这种情况下,保尔比皮特更重这种关系,是由保尔和皮特彼此独立的质量所确定的。类似可假设,两个系统间的空间距离由每个系统的位置确定;一个系统的位置独立于其它所有系统的位置,从这个意义上讲,位置是一种内禀性。分离性这个物理概念可总结如下:每个自为系统具有一种状态,完全指示该系统具有时间依赖性的数值;包含几个子系统的整个系统的状态是由子系统状态确定的。只有系统存在期间那些数值发生变化的参量,才是时间依赖性比如位置和动量,而不是质量和电荷。这些参量也被称为“状态相依参量”(state-dependent property)。系统在某一时间的状态,是该系统在该时刻具有的时间相依参量的变化方式。

爱因斯坦超越了分离原理,在以上引文(1948年,第321-322页)中,继续采取了另一个涉及物理系统状态变化的原理:局域作用量原理(the principle of local action)。因果效应(相互作用、力)以一个有限速度(光速是上限),从一个点传播到相邻点。局域作用量原理预先就假设了分离性原理:它考虑系统中的变化,所有自为具有一特定意义的状态。局域作用量原理是一种局域条件。有时用更普遍意义的局域原理来否认它(如,霍华德(1985),第173页、179页)。但用局域来否认局域作用量,这导致对量子论诠释产生某些误解。本章中的量子论诠释产生一种暗示:世界存在于基本物理层面上,假设量子论是正确的1

如爱因斯坦在以上引文中所言,现代著名的分离性原理来源于日常思考。我们在哲学上可随该原理追溯到亚里斯多德。亚里斯多德的《形而上学》的中心思想就是:世界由大量单事物(物质)组成,它们每个具有内禀性的特征(如《生物分类》第5章,以及《形而上学》VII卷)。对于这种自然观,我们可从美国哲学家戴维德•路易斯(1941–2001)那里发现一个清晰的现代构想:

我们拥有几何两点时空距离的外在联络系统。点,可能是时空本身的点,可能是物质或以太或场的比特点,可能两者皆是。而在那些点之间,我们有了局部性(local quality完全自然的内禀性,它所需要的比所举出的一个点还少得多。总之,我们有了量的约定,而那就是全部其它一切附生其上。(路易斯(1986),第IX-X页)

在本文中,依附性(supervenience)的意思就是,存在于我们世界中的万物都有着固有的内禀性。

这种量子论哲学向为爱因斯坦坚持的、并自亚里斯多德直到今天的传统,提出一种挑战。我们可辨识出这种挑战的三个方面。首先,每个量子系统的某些性质相互依赖,在某种意义上说就是,并非所有这些性质在给定时间都有一个确定的数值。这种不协调性或互补性的最著名例子是位置与动量:越接近位置的一个确定数值,动量值的误差就越大;反之亦然。这就是海森堡不确定性关系的含义。一个无状态的系统存在,其位置与动量的误差的乘积落在某一数值之下。其中,误差(不确定性)意味着与某一确定数值之间的差异。用一个点代替一个值,我们可绘出数值分布。该不等式有时被称为“测不准关系”(indeterminacy relation)。该表达式可能被误解为:在不严格的意义上讲,不存在任何测不准性。海森堡不等式对位置和动量的离差乘积,给出一个精确的最低极限。“不确定性关系”式也可被误解为:该不等式与观测者关于系统位置或动量的不确定性无关。不确定性就是怀疑这些性质可被精确地确定(可参考Brown & Redhead, 1981)。量子系统内这种相互依赖性的最重要影响,实际上在于量子系统一般是非局域性的。它们的性质甚至它们的状态定常参量(state-independent property,或译为状态独立参量),如质量和电荷不存在于点处或空间中任意小的区域内。

量子系统内的这种参量(性质)的相互依赖性具有深远的影响。当我们测量一个量子系统的一个状态定常参量时,测量仪器不显示出如下性质:量子系统独立于与测量仪器的相互作用。实际上就是,量子系统获得相应参量的某一数值,它仅与测量仪器读出参量的某一值有关。因此,没有内禀性,而有关联性,它存在于量子系统与测量系统之间的相关性中2

对内禀性的批评,包括在量子论中,甚至更广。当我们观察一下两个或超过两个的量子系统时,它们每个至少有两个相互依赖的参量(如上述意义),量子论的公式允许这些系统的状态彼此纠缠。让我们回想最简单的纠缠例子3。最简单的量子物理性是量子系统的自旋,它是一种特征性的角动量。例如,电子是自旋为1/2的系统。在这种情况下,自旋分量在每个三维空间方向上只取两个确定数值,+1−1。于是,当提到无任何更多解释的自旋时,这总指的是自旋分量。我们将这些值取名为“正自旋”(spin plus)和“负自旋”(spin minus)。我们现在考虑两个自旋为1/2的系统,它们从一个源一起发射出来,正沿着相反方向作彼此远离的运动,以致它们不再发生作用。无论如何,二者中任意一个系统具有独立于另一个系统的自旋态。两个系统的全态是“第一个系统正自旋与第二系统的负自旋”和“第一个系统的负自旋与第二个系统的正自旋”这两者的叠加;这种状态就是著名的单重态(singlet state4。这两个分量之一在测量中显示出来。结果为:要么是“第一个系统的正自旋与第二个系统的负自旋有关(与测量仪器的相应读数有关)”,要么是“第一个系统的负自旋与第二个系统的正自旋有关(与测量仪器的相应读数有关)”。这个例子可回到玻姆(见1951年,第611–622页)。概念上相似的例子,可用两个系统的位置或动量的性质来构建(Einstein, Podolsky & Rosen 1935)。在这些情况下,我们正在处理一个无限大的数值来代替二者,这涉及到态纠缠。根据爱因斯坦(1935)的研究,态纠缠的相关性,就是著名的EPR关联性(Einstein–Podolsky–Rosen correlation)。

态纠缠,一般意味着没有任何系统自身就具有所谓的状态相关值要么它是有一定不确定性的值,依赖于其它同样系统的属性。而关于状态相关性,就是量子论所讲的系统之间的相关性,而且独立于系统中的空间或时空距离。这些相关性不是因果性,因为物理系统中状态变化的因果联系是系统每一状态存在的条件(在分离性原理意义上),而态纠缠的相关性违反了这个原理,态纠缠意味着违反对分离性原理。反之,每个有关的系统具有独立于其它所有系统的状态,仅当系统作为整体时才具有一个确定的状态:惟有整个系统才处于纯态。只有根据整个系统的状态,可定义子系统的状态相依性,即整个系统只存在于子系统之间的关系上(从EPR关联性意义上讲,前文提到过)。

从量子系统和测量仪器之间的相关性开始,通过量子系统之间的EPR关联性,我们可继续对后一种相关性作讨论,最后获得关于这种关联性的整个关系网。在此提到的态纠缠,就来自量子论形式体系(formalism of quantum theory)的观点,而不是来自预测。我们无论何时观察一个具有几个量子系统作为单元的复杂系统,可预料这些量子系统的状态处于彼此纠缠中。这对于量子系统级的自然整体也是正确的。因此,所有真正的状态相依性都具有所谓的相关性,因此只可根据对整个量子系统的全部状态才可完全确定。正由于此,我们才说量子论的整体论(holism):量子系统通过关系全部联系起来,而这无法还原为彼此独立的单量子系统(见Esfeld (2004)5。当从经典物理和分离原理出发时,单个物理系统仍在量子力学中保持成立;而且,也可用单量子系统来进行实验。但在经典力学中被视为内禀的性质,必须转换成这些系统之间的相关性。

以下现象就完全背离了至今所说的态纠缠,它仅考虑了状态相关性或时间相关性。而量子系统也具有状态独立性(或译为定常性),如质量、电荷,这些参量也属于量子系统的基本属性。但根据量子系统之间定义的相关性,质量、电荷等参量不是基本的,如质量和电荷这种性质是真正内禀的,这是值得怀疑的。点电荷是嵌入于整个场中的,与广义相对论有关,我们甚至可认为质量也是一种关系属性(relational attribute;参考Teller1991),VIVII章)。而且,可在量子论形式体系中推出如质量、电荷等参量,这是可取的,虽然量子论是我们的基本物理理论。实际上有一些策略可完成之,为了获得那些状态定常参量(如质量、电荷),可根据以上意义上的关系属性来进行定义。

事实上,量子系统不满足分离性原理,这导致另一种结果,于是向哲学家提出了第三个挑战:量子系统不是个体性的。玻色子型量子系统情况中缺乏个体性的原因在于假设不依赖于态纠缠。但是,态纠缠显示出所有类型的量子系统尽管玻色子与费米子之间存在差别(后者遵循泡里不相容原理)但是二者不是个体性的。在量子力学中,当我们观察几个同类型的处于彼此纠缠的状态的量子系统时,这些系统是难以辨别的。根本不存在任何属性甚至不存在任何类型的条件概率分布系统与其它这种系统是有区别的(见French & Redhead1988))。因此,量子系统在时间上不是恒等不变的。我们不能标记一个量子系统,然后再认识它。量子力学系统(电子、光子、中子,等)是单系统,而整体系统总包含一定数量的这种系统。在量子力学中,态纠缠的相关性总存在于一定数量的单系统之间。在前面提到的例子中,我们总处理两个系统。而且,每个这些系统是属性预测的对象,因此是属性的载体这归因为“它与其它系统发生纠缠”,“当其它系统具有负自旋时,它具有正自旋”,等等。

量子场论仍在继续深入发展。单个物理系统遵循量子力学,正如量子场属性遵循量子场论。量子场论公式对于每种基本系统(如电子等),场延伸到整个时空。电子之类是场量子(field quanta),在数学上表示为粒子数字算子(number operator)。对于场来说,没必要处于一种有确切数目的场量子状态。它可处于如五个、七个电子的叠加状态。著名的量子力学关联性,在量子场论看来,就是时空点上场算子的传统概率分布之间的相关性,量子场论证明了这些相关性。这些相关性甚至存在于真空态中,正如瑞和施列德定理(Reeh–Schlieder theorem;见Redhead1995))所强调的。因此,量子场论将单量子系统当作保持关联性的属性载体,量子场可用时空点构建而成。因此,量子论从三个角度向自然哲学提出挑战:

–局域性(Locality):量子系统及其属性,一般不局限于点,或者说不局限于空间或时空中的任意小区域。

–分离性(Separability):量子系统的基本时间独立性,如位置、动量和自旋(就自旋分量意义上而言),不属于每个量子系统自身的内禀性质。量子系统的属性,不具有内禀性,而具有重要的相关性(就提到的相关性意义而言)。态纠缠的这些相关性最终可被完全定义,这正是所有量子系统的全部状态。

–个体性(Individuality):量子系统不是个体性的。在量子场论中,即使单量子客体作为性质预测的一个对象,也不再是必需的。

最重大的挑战是缺乏分离性,而个体性缺乏是不可分离性的结果。在这点上,我们应坚信量子论,而不认同单个事物具有内禀性的自然哲学,建议自然哲学要重视关联性。在继续深入自然哲学之前,我打算通过量子论开辟道路而进入下一章“认识论透视”。