量子力学，没那么复杂

　　图片说明：根据量子力学理论，粒子可以表现出波的特质，反之亦然。近日，研究人员发现，这种 ' 波粒二象性 '（wave-particle duality）仅仅是量子力学不确定性原理（uncertainty principle）的另一种表达。图片来源：Timothy Yeo / CQT，新加坡国立大学（National University of Singapore）

　　有一条令人振奋的消息：量子力学没有我们想象的那么复杂。日前，一个国际研究小组研究表明，量子世界之前看上去完全不同的两种特质实际上只是一种特质的不同表现而已，这一研究结果发表于 2014 年 12 月 19 日的 Nature Communications 杂志。

　　在新加坡国立大学（National University of Singapore）的量子技术中心（Centre for Quantum Technologies），Patrick Coles、Jedrzej Kaniewski 和 Stephanie Wehner 共同完成了这一突破性研究。他们发现 ' 波粒二象性 '（wave-particle duality）实际上就是不确定性原理（uncertainty principle）的另一种表达，这一发现使量子物理学领域两个难以理解的定理合二为一。

　　荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）量子物理学副教授 Wehner 说：' 当人们开始思考可以从一个系统中获取哪些信息时，会很自然而然地得到波粒二象性和不确定性原理之间的联系。我们的研究结果强调了从信息角度思考物理学问题的力量。'

　　这一发现加深了我们队量子物理学的理解，并为波粒二象性的应用提供了新思路。

　　波粒二象性是指量子物体具有波的特质，但当人们尝试定位该物体时，此种波的特质随即消失不见。很简单的一个例子就是双缝实验（double slit experiment）。实验中，单个粒子（例如电子）被发射到一个含有两道狭缝的屏幕上。狭缝后的粒子并不像普通物体那样堆积，而是呈现出类似于波的干涉那样的条纹图案。而当人们试图观察单个粒子如何通过狭缝时，波的干涉图案便会消失。

　　不确定性原理是指，对于一个量子粒子，人们不可能同时观察到它的两种属性。比如，如果人们对原子位置的测量越准确，那么对原子运动速度的测量就会越不准确。这是对基本的自然可知论的一种限制，而不仅仅是对测量技术的一种判断。该研究显示了人们可以在何种程度上用完全相同的方式了解一个系统波的特质及粒子的特质。

　　自 20 世纪初以来，波粒二象性和不确定性原理一直都是量子物理的基本概念。加拿大量子计算研究所中心（Institute for Quantum Computing）博士后研究员 Coles 说道：' 我们根据直觉判断，这两种性质之间一定具有某种联系。'

　　现在可以使用方程描述不确定性原理对粒子双重特性的影响。Cole、Kaniewski 和 Wehner 是研究 ' 熵的不确定关系 '（entropic uncertainty relations）的专家，他们发现之前所有用于描述波粒二象性的数学关系式都可以使用此关系重新描述。

　　' 这就类似于人类所发现的两种语言之间的联系——‘罗赛达石’（Rosetta Stone）一样。'Cole 说道，' 文献中关于波粒二象性的描述就像象形文字一样，很难理解，我们可以将其转化为熟知的母语。在几次顿悟之后，我们终于明白了其中内涵。'

　　在此之前，熵的不确定关系也用于检验量子密码学的安全性。量子密码学是一种使用量子粒子进行安全通讯的方式，因此研究人员认为，该研究同时还会大大激发人们对新的加密协议的研究兴趣。

　　在早期的论文中，Wehner 及合作伙伴发现了不确定性原理和其他物体定律之间的联系，例如量子的 ' 非定域性 '（non-locality）和热力学第二定律（second law of thermodynamics）之间的联系。研究人员的下一个目标是将这些零散的研究相互结合，用来更好地描述自然界。

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