量子糾纏現象該如何理解,這個解釋讓你茅塞頓開!

世界最奇妙的東西,一生的時間是看不完的;人生最美好的東西,需要去發現,但也是無限多的。所以我們是幸福的,也是總會有點遺憾的。

量子糾纏也許是你聽過的這個世界上最奇妙的事情,聽過這個事情,也很美。如果能瞭解它,那就更美不可言了。

首先還是簡單介紹一下什麼是量子糾纏。在量子力學裡,當幾個粒子在彼此相互作用後,由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質,無法單獨描述各個粒子的性質,只能描述整體系統的性質,則稱這現象為量子糾纏(quantum entanglement)。

量子糾纏是一種純粹發生於量子系統的現象;在經典力學裡,找不到類似的現象。

假若對於兩個相互糾纏的粒子分別測量其物理性質,像位置、動量、自旋、偏振等,則會發現量子關聯現象。

例如,假設一個零自旋粒子衰變為兩個以相反方向移動分離的粒子。沿著某特定方向,對於其中一個粒子測量自旋,假若得到結果為上旋,則另外一個粒子的自旋必定為下旋,假若得到結果為下旋,則另外一個粒子的自旋必定為上旋;更特別地是,假設沿著兩個不同方向分別測量兩個粒子的自旋,則會發現結果違反貝爾不等式;除此以外,還會出現貌似佯謬般的現象:當對其中一個粒子做測量,另外一個粒子似乎知道測量動作的發生與結果,儘管尚未發現任何傳遞信息的機制,儘管兩個粒子相隔甚遠。

首先大家遇到一個問題的時候,一定要細緻分析。因為問題裡面的問題就足以讓你迷糊。

首先就上面的介紹,你必須知道這幾個要點,不然你談不上去理解量子糾纏,那是不可能的事情。

1、量子糾纏是發生在量子系統。宏觀世界裡找不到,但記住是——目前找不到,目前沒有找到

2、發生量子糾纏的系統必須是兩個粒子以上的量子系統。你不光要記住粒子數量的規定,還得領悟系統這兩個字! 談到系統一定要想到整體性! 也就是說發生量子糾纏的粒子,是一個整體!一定是一個整體!

3、還有就是距離問題!發生量子糾纏的距離問題。這是個要點,很多百科知識,有誤解。讓很多人以為相距很遠很遠的粒子,都能發生量子糾纏。但我要告訴你,不可能的!目前從來沒有研究顯示說一個粒子和一個一光年之外的粒子發生了量子糾纏。

先來說說為什麼量子糾纏發生的距離是有限的,不是無限遠【理論上有無限遠】

大家看看下面的關於量子糾纏的新聞實驗:中國科學技術大學潘建偉、彭承志等研究人員的小組早在2005年就在合肥創造了13公里的自由空間雙向量子糾纏「拆分」、發送的世界紀錄,同時驗證了在外層空間與地球之間分發糾纏光子的可行性。

2007年開始,中國科大——清華大學聯合研究小組在北京架設了長達16公里的自由空間量子信道,並取得了一系列關鍵技術突破,最終在2009年成功實現了世界上最遠距離的量子態隱形傳輸,證實了量子態隱形傳輸穿越大氣層的可行性,為未來基於衛星中繼的全球化量子通信網奠定了可靠基礎。該成果已經發表在2010年6月1日出版的英國《自然》雜誌子刊《自然‧光子學》上,並引起了廣泛關注。

量子糾纏現象該如何理解,這個解釋讓你茅塞頓開!

從上面的報導中,出現了幾個「可行性」的詞彙,就說明這種傳輸技術的距離要求是很難的。看看「13公里」「16公里」這些數字,你就清楚這種距離是有限制的。所以和10光年之外的粒子發生糾纏,對我們來說還是天方夜譚。而且新聞中也說:「證實了量子態隱形傳輸穿越大氣層的可行性。」重點還是在「可能性」這三個字。

所以必須克服對「量子糾纏」的干擾。不然量子糾纏態解除。 而且根本無法實現「控制」這一說,因為「控制」就意味著幹擾!

再回到第二點,量子糾纏系統上來。舉一個例子最好了。如下圖。

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照射激光束於偏硼酸鋇晶體,會因第二型自發參量下轉換機制,在兩個圓錐面交集的兩條直線之處,製備出很多偏振相互垂直的糾纏光子對。

看上面的案例,大家應該清楚了。量子糾纏發生的系統是有限制的。不是說隨隨便便就能有。有「同源」規則,不可能你隨便拿個手電,我也拿個手電,同時打開之後,光子們自動量子糾纏了。這是不可能的。

量子糾纏一開始其實是愛因斯坦為了用量子糾纏來證明量子力學的不完備性。他提出一個隱變量理論。還是簡單給大家回顧一下歷史,請看下文。

1935年,愛因斯坦、博士後羅森、研究員波多爾斯基合作完成論文《物理實在的量子力學描述能否被認為是完備的?》,並且將這篇論文發表於5月份的《物理評論》。這是最早探討量子力學理論對於強關聯系統所做的反直覺預測的一篇論文。

在這篇論文裡,他們詳細表述EPR佯謬,試圖藉著一個思想實驗來論述量子力學的不完備性質。他們並沒有更進一步研究量子糾纏的特性。

薛定諤閱讀完畢EPR論文之後,有很多心得感想,他用德文寫了一封信給愛因斯坦,在這封信裡,他最先使用了術語Verschränkung(他自己將之翻譯為「糾纏」),這是為了要形容在EPR思想實驗裡,兩個暫時耦合的粒子,不再耦合之後彼此之間仍舊維持的關聯。

不久之後,薛定諤發表了一篇重要論文,對於「量子糾纏」這術語給予定義,並且研究探索相關概念。薛定諤體會到這概念的重要性,他表明,量子糾纏不只是量子力學的某個很有意思的性質,而是量子力學的特徵性質;量子糾纏在量子力學與經典思路之間做了一個完全切割。如同愛因斯坦一樣,薛定諤對於量子糾纏的概念並不滿意,因為量子糾纏似乎違反在相對論中對於信息傳遞所設定的速度極限。後來,愛因斯坦更譏諷量子糾纏為鬼魅般的超距作用。

EPR論文很顯然地引起了眾多物理學者的興趣,啟發他們探討量子力學的基礎理論。但是除了這方面以外,物理學者認為這論題與現代量子力學並沒有什麼牽扯,在之後很長一段時間,物理學術界並沒有特別重視這論題,也沒有發現EPR論文可能有什麼重大瑕疵。

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EPR論文試圖建立定域性隱變量理論來替代量子力學理論。1964年,約翰‧貝爾提出論文表明,對於EPR思想實驗,量子力學的預測明顯地不同於定域性隱變量理論。概略而言,假若測量兩個粒子分別沿著不同軸向的自旋,則量子力學得到的統計關聯性結果比定域性隱變量理論要強很多,貝爾不等式定性地給出這差別,做實驗應該可以偵測出這差別 。因此,物理學者做了很多檢試貝爾不等式的實驗。

1972年,約翰‧克勞澤與史達特‧弗利曼(Stuart Freedman)首先完成這種檢試實驗。1982年,阿蘭‧阿斯佩的博士論文是以這種檢試實驗為題目。他們得到的實驗結果符合量子力學的預測,不符合定域性隱變量理論的預測,因此證實愛氏的定域性隱變量理論不成立。但是,至今為止,每一個相關實驗都存在有漏洞,這造成了實驗的正確性遭到質疑,在作總結之前,還需要完成更多精確的實驗。

這些年來,眾多的卓越研究結果促成了應用這些超強關聯來傳遞信息的可能性,從而導致了量子密碼學的成功發展,最著名的有查理斯‧貝內特(Charles Bennett)與吉勒‧布拉薩(Gilles Brassard)發明的BB84協議、阿圖爾‧艾克特(Artur Eckert)發明的E91協議。

2017年6月16日,量子科學實驗衛星墨子號首先成功實現,兩個量子糾纏光子被分發到相距超過1200公里的距離後,仍可繼續保持其量子糾纏的狀態。

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看了上面的量子糾纏相關歷史,你們肯定有想提問的。我來幫你們問!

1.量子糾纏引導的量子密碼學為何安全?

2.量子糾纏的距離,都達到了最新的1200公里了,是不是說它已經超光速了? 證明相對論是錯誤的。

3.如何理解量子力學這種「超光速」,是真的超光速嗎?

4.量子糾纏的機制,本質是什麼?

第一個問題:量子糾纏傳輸為什麼安全,很簡單就是因為量子糾纏態是一個系統,是一個整體。它之所以安全,是因為它無法被干擾,或者侵入。一般侵入或干擾,量子糾纏解除,傳輸終止。量子糾纏不像我們的電腦,受到黑客侵入,電腦還在運行。量子糾纏態如果受到侵入,就停止了這種狀態的傳輸。但這裡大家要理解「傳輸」這個詞,不是日常我們理解的那樣。把一個東西,送到一個地方。就比如我給你發一個郵件,這叫傳輸。量子糾纏現在做不到這樣的。

第二個問題:量子糾纏沒有實現真正意義上的超光速,相對論是正確的。

第三個問題:既然量子糾纏沒有實現真正意義上的超光速。那我們該如何理解。舉一個例子。很通俗,便於大家理解。再重述一下這個例子。

通俗一點解釋可以這樣理解,兩個或兩個以上的粒子的量子糾纏態是一體的東西,在一個波函數描述之下,和距離無關。

量子糾纏現象該如何理解,這個解釋讓你茅塞頓開!

就好像是兩個人坐一個蹺蹺板玩。A和B坐在上面的時候,就有了這種超關聯聯繫,即糾纏。A下去,B必然上來;相反B下去,A立刻上來。但我們不能說這種聯繫是超距的,也就是不能說A和B之間的變化是超光速完成的。要知道這和A和B之間的距離「無關」,與他們之間的聯繫態有關。

再直白一點簡單一點就是,你不能說你和你自己是有距離的,因為你和你自己本來就是一個人,一體的。哪來的距離? 我和你之間才有距離!懂了嗎? 就是這個意思。

如果還不懂,舉一個例子。這個例子你要還不能理解。那我就搖頭了。想像力匱乏了。

你的大腦是一個系統,很複雜,很神奇。這是我們公認的。你現在想像一下,你大腦中有兩個粒子。一個叫地球,一個叫太陽。你一躍,不到一秒從地球跳到太陽上了。

現實中光要走8分鐘,你一秒中靠想力裡完成了。這叫超光速嗎?其實我要表達的是你就沒有走距離! 重點是理解這個!

之所以想到用這個給大家舉例,是因為有人網絡新聞文章說心靈感應,就是一種量子效應。這是種大膽的假設,這種現象報導了多起。

你會發現,所有的這種心靈感應案例。多以母親與兒女,多以雙胞胎為案例的。很少有以隔代的,或鄰居間的,或父親的。為什麼?

量子糾纏現象該如何理解,這個解釋讓你茅塞頓開!

其實還挺值得思考的,但我承認這不夠嚴謹。

我的思考觀點是這樣:如果兩個人共用過一個身體,或在某種程度上共用過一個大腦,或者也可以說一個系統。那麼這種感應應該要強。那麼就符合雙胞胎,符合母親與兒女之間的現象。

因為他們都共同使用過一個生命系統。萬物是有聯繫的,萬物也有輻射。如果這種輻射,這種能量有距離傳輸的這種感應,那麼雙胞胎,以及母親與兒女之間的感應是最有超強關聯的。和量子糾纏有相似之處。所以這種大膽假設,我不排斥。並且我就是這樣思考的。

但說這種思考,不嚴謹。也是我第一次寫在科普書籍中的。今天好像更適合來引申一下。作為科普啟發,我覺得不為過。

量子糾纏現象該如何理解,這個解釋讓你茅塞頓開!

不嚴謹是因為人是宏觀的,記住。目前量子糾纏在經典力學還沒有被發現過。

但記住,即使有一天這種心靈感應被認為是確定的,實驗證實的。我依然對相對論有信心。因為我在上面說了,我依然認為這種心靈感應現象是一個整體的。也談不到真正意義上的超光速。

通過上面的幾個例子,也就是說量子糾纏信息傳輸技術也是有限制的。它必須在這個「蹺蹺板」系統中。

那很多人可能又要打斷其他的人的問題,開始新的發問:「那什麼才是真正意義上的超光速,超光速傳輸?」

很簡單,火箭速度大於光速叫超光速!真正意義上的超光速傳遞是要傳遞有效信息的,攜帶東西的。有人反駁說,你讓火箭超光速,不是開玩笑嗎?怎麼可能! 你要這樣反駁,我還挺高興,說明你也認為不可能。因為一個火箭所攜帶的信息太多,物質太多。

量子糾纏現象該如何理解,這個解釋讓你茅塞頓開!

那麼換一個你認為可能不?把一個1G電影傳以超光速傳給任何人,也算。你認為可以實現嗎? 或者一首歌,超光速傳遞給我。都算傳遞有效信息。如果不能傳遞有效信息,那就不是超光速。那就是沒有傳遞!那就是沒有傳遞!懂了嗎? 就是這個意思。你和你的距離是零,你做的任何動作,都不需要你和你之間傳遞。

正像湯衛東教授說:量子隱形傳態,是在一對量子糾纏資源的輔助下,將某個未知量子態信息傳遞到另外一個地方。傳遞的是信息,而非物質。若用「瞬間轉移」來形容,轉移的也只是量子態,並不是粒子本身。

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