在这个充满神秘和奇迹的宇宙,总有未曾揭示的宝藏等待着我们的探索。因此,尽管我们可能在寻找更奇妙的事物时感到些许遗憾股票配资平台下载,但更重要的是学会珍惜眼前的幸福,而不是沉溺于没有发现未知的惋惜。
在当今的科学领域,量子纠缠可称之为一种极为奇妙的现象。它既是科学的魅力所在,也是我们尚未破解的谜题。如果能揭示其本质,那无疑是极富魅力的事。
那么,量子纠缠究竟是什么?
简而言之,当多个粒子发生互动后,它们不再拥有孤立的特性,而是形成了一个整体的属性。换言之,我们无法单独描述每个粒子的性质,只能阐述它们的整体特性。这一现象就是所谓的量子纠缠。
在宏观世界中作个类比,假设有两只不再相互关联的鞋子,一旦它们结合成一双,就相当于发生了“纠缠”,我们只能描述一双鞋的特性,每只鞋子的独立属性则变得不那么重要。当然,这个比喻并不十分精确,理解其基本概念即可。
需要强调的是,量子纠缠仅在量子系统内部起作用,在经典物理的范畴内并不存在类似的现象。
举例说明,假设一个自旋为零的基本粒子发生衰变,分裂成两个反方向自旋的粒子,其中一个自旋向上,另一个自旋向下。测量其中一个粒子的自旋方向,如向上,那么另一个的自旋方向必然是向下,反之亦然。
不论这两个粒子距离有多远,哪怕是相隔两端的宇宙,只要对其中一个粒子进行测量,例如得到自旋向上的结果,我们就可以立即得知另一粒子的自旋为向下。
更令人惊奇的是,在对一个粒子进行测量时,另一个粒子似乎能够立即感知到这一行为,并做出相应反应,而科学界尚未发现两者之间存在任何瞬时的信息传递。
此外,在测量的那一刹那,原本纠缠在一起的两个粒子失去了联系,不再相互纠缠,仿佛从亲密无间的朋友变成了陌生人。
看到这儿,你或许能理解量子纠缠的几个关键特性。
首先,量子纠缠只发生在微观世界,在宏观世界中则无迹可寻,这至少是目前的认识。也可能是因为宏观物体的质量过大,纠缠现象极其微弱,以至于我们无法观察到。
其次,纠缠只发生在两个或更多量子系统之间。而一个系统本就是统一的整体,所以纠缠的粒子构成了一个整体,孤立讨论某一个粒子实际上意义不大。
第三,关于纠缠的速度和距离问题。理论上,无论距离多远,量子纠缠都可以发生。但实际上,让两个或多个粒子保持纠缠状态非常困难,因为现实世界中充满了各种干扰,这些干扰可能破坏纠缠的完整性,而任何形式的干扰都可能导致纠缠状态的终止。
中国科学技术大学的潘建伟教授在量子态隐形传输研究上成果丰硕。早在2005年,他带领的研究团队就实现了长达13公里的自由空间双向量子纠缠“拆分”和发送,创下了世界记录。
到了2007年,清华大学的研究小组将这一距离扩展至16公里,并在2009年完成了当时最长距离的量子态隐形传输。这些研究为中国未来全球量子通信系统的建立奠定了坚实基础,也验证了量子态隐形传输的可行性。
然而,从量子态隐形传输的距离来看,量子纠缠在现实中的有效距离其实是非常有限的,要实现更远的量子纠缠几乎是不可能的,因为需要达到的要求极高,超出了人类目前的能力。
对于如何制造纠缠的粒子,科学家们已经找到了方法。虽然具体操作复杂,但原理相对简单。
例如,用激光束照射偏硼酸钡晶体,可以产生许多相互垂直的偏振光子,即纠缠光子对。
这表明,量子纠缠的发生需要满足特定的“同源”规则,并非随意两个光源打开后光子就会自动纠缠。
起初,量子纠缠并未受到太多关注,甚至被认为是量子力学的漏洞。爱因斯坦曾用量子纠缠质疑量子力学的不完整性,认为存在尚未发现的隐藏变量。
这源自EPR悖论,爱因斯坦、罗森和波多尔斯基合作发表的论文《论量子力学的不完备性》便是对此的论证。EPR分别代表三位科学家名字的首字母。
薛定谔在阅读这篇论文后首次使用了“纠缠”一词,随后这一概念在描述两个耦合粒子间关系时被越来越频繁地引用。
无论是薛定谔还是爱因斯坦,都对量子纠缠的概念表示不满,因为它看似违反了经典世界中的光速限制。爱因斯坦甚至将量子纠缠戏称为“鬼魅般的超距作用”。
EPR论文的主要目标是用传统经典物理学来取代看似不可思议的量子力学。也就是说,通过建立局域隐藏变量来替代量子力学。局域性通俗来讲就是光速限制。那么,隐藏变量是否存在成为问题的焦点。如果存在,则量子力学应当被经典物理取代;如果不存在,则表明量子力学的奇异现象真实存在,不应被经典物理取代。
进入1964年,物理界的巨星约翰·贝尔提交了他的研究成果,结果揭示了量子力学的预见与局域隐变量理论间存在显著差异。
概括而言,如果一对粒子在相反方向上自旋,那么量子力学所揭示的关联性明显强于局域隐变量理论所预测的。
贝尔不等式则定性地表述了两者的差异,实验设计用来验证这一差异。诸多物理学家投身于验证贝尔不等式的实验中。
实验结果与量子力学的预言相吻合,这表明其与局域隐变量理论并不相符,因此爱因斯坦在EPR论文中提出的隐变量理论被证明不切实际。这也证实了诸如量子纠缠这样的量子力学奇特现象的确存在。
科学家们不懈的努力使得相隔甚远的纠缠粒子能够保持其纠缠态。例如,中国的墨子号量子科学实验卫星在2017年便实现了相隔1200公里的量子纠缠。
在此,你可能会心生疑问,比方说,量子纠缠是否真的超越了光速?如何利用量子纠缠来加密信息?量子纠缠的内在机制是什么?
可以明确的告诉你,量子纠缠并没有以超光速的速度传递信息,其作用过程几乎是瞬时的,甚至比光速快了10000倍,但严格来说,量子纠缠的过程中并没有传递任何信息,因此并未违背爱因斯坦的相对论。正如开篇所述,纠缠中的两个粒子就像一双鞋子的左右两只,当我们知晓一只是左脚的鞋时,自然而然地知道另一只是右脚的鞋,这个过程并未涉及任何信息传递。
简而言之,量子纠缠描述的是一个整体系统,而非单个粒子,因为它们本质上就是不可分割的整体,因此不存在所谓的距离问题。
互联网上有人将量子纠缠比喻为“心灵感应”,众所周知,心灵感应似乎是瞬时发生的,例如双胞胎之间可能存在某种心灵感应。然而,这一概念带有神秘色彩,尽管可能真的存在,但科学界并不承认量子纠缠与心灵感应之间存在联系。我们可以将其作为一个科幻故事的素材来展开想象,但这对于科学普及来说并不恰当,因为科学要求严谨。
理论上,的确有可能利用量子纠缠实现“瞬移”,但在瞬移人或物体之前,必须将该人或物体的信息传递至目的地,而这一过程仍受制于光速限制,换言之,仍旧是经典物理学中的信息传递过程。
假设你想从地球瞬间移动到4.3光年外的比邻星,首先需要将组成你身体的量子信息传递到比邻星,这一过程需要耗时4.3年。随后,利用量子纠缠的原理,将你的量子信息纠缠重组,这样你就能瞬间抵达4.3光年外的目的地。
然而,这其中存在逻辑甚至伦理上的问题,地球上消失的你与在比邻星重组的你是否为同一个人?从信息角度来看,你们的组成结构或许相同,但你们的思想、经历和性格是否一致?这仍是一个悬而未决的问题。
因此,通过量子纠缠实现的瞬移,或许仅仅转移了你的肉体,那关于你意识的种种又会如何?目前我们尚不得而知。而日常所说的“量子通信”,实际上并不是利用量子纠缠来传递信息,而是用于信息加密,也就是所谓的“量子密钥分发”。
具体如何运作呢?
举个例子,如果纠缠中的粒子一旦被观测,就会立即发生坍缩,从纠缠态变为本征态,而这种变化会迅速传递给信息发送者,使其意识到有人试图窃取信息,此时就需要对信息重新加密,防止信息外泄。
由此可见,利用量子纠缠进行信息加密,几乎可以保证百分百的安全,任何试图窃取信息的行为都会立即被察觉。因为任何观测行为都会对纠缠中的量子产生影响。
因此,“量子密钥分发”这种加密方式与传统信息加密技术截然不同。传统加密技术理论上有可能不被察觉地破解,而采用“
量子密钥分发”之后,任何窃取企图都会被立即发现,让信息窃取者无处藏身!
最后一个问题,量子纠缠的底层逻辑到底是什么?
实际上,我们无需对量子纠缠的现象感到过于神秘,正如我们在一开始所讨论的,处于纠缠态的量子系统实际上由两个或更多的基本单位——例如单个的量子粒子所构成,而这些纠缠在一起的整体性质是无法由单个粒子所表现出来的。
换言之,我们只能描绘整个量子系统的整体性质,这些性质在单独的粒子中是无法观察到的。
用一双鞋子来类比可能更容易理解,一双鞋子可视为整个系统,而单只鞋子则是一个子系统。对于鞋子这个概念而言,它们作为一个整体才具有意义,并且展现了其特有的性质,但孤立的一只鞋子并不具备这些特性。换句话说,两只鞋子是不可分割的,一旦分开,它们的意义也就不存在了。
这当然只是个比喻,如果你坚持说“一只鞋也能穿”,那这种讨论就失去了意义。
而且,这种不可分割的性质与距离无关,即使两个子系统相隔极远,这种性质依然存在。这显然展示了量子纠缠在不可分割性和局域性方面的差异。在EPR悖论中,两个相隔甚远的粒子组成的系统仍然是可分离的,而对于量子纠缠系统,整体系统是不可分离的。这实际上很像一个“跷跷板”,因为跷跷板是不能被分离的,两边总是作为一个整体存在。
简单来说,纠缠的粒子本质上仍是一个统一体,尽管它们看似相隔甚远,但它们仍然是一个整体。用数学的语言来描述,纠缠的粒子可以用一个单一的波函数来描述,因此,当一个粒子状态的改变发生时,必然会立即引起另一个粒子状态的相应变化。
以上是我对量子纠缠的理解,希望它能帮助你对量子纠缠有一个全新的认识。还有人提出了更为大胆的观点,他们认为量子纠缠可能源自高维空间,纠缠的粒子通过高维度传递信息,而在高维空间中,信息传递可以无需受到光速的限制,因此纠缠的粒子可以瞬间相互感知。
目前,这种理论仍停留在科幻层面,因为人类尚未确定高维空间是否真实存在,我们也不清楚如何才能进入高维空间。
人类在理解量子力学和量子纠缠上还有很长的路要走,尽管量子力学已经发展了超过一百年,科学家们仍未完全揭示量子力学的真正本质。我们仅仅知道量子世界充满了各种奇异的现象,但对这些现象背后的真正原因知之甚少。
换句话说,我们仅了解量子力学的表象,但对其本质原因并不完全了解。然而,这并不妨碍我们利用量子力学来为人类服务,例如量子计算机的发展,一旦实现,将带来传统计算机无法比拟的性能提升。
量子计算机研究的关键在于实现多个量子比特之间的最大纠缠,也就是说,我们需要让尽可能多的量子对进入纠缠状态。然而,在实际操作中,任何微小的干扰都可能破坏量子纠缠。清华大学已经实现了25个量子比特的纠缠,创造了新的世界纪录,但这离真正的量子计算机还有一段路要走。
为什么量子计算机能如此快速?因为它读取信息的方式与传统计算机完全不同。举个例子,假设有两束电线,每束都有100根,并从1到100编号。我们的任务是将两束中编号相同的电线连接起来,但不知道每根电线的编号。在传统计算机中,我们需要一个个去试,找到对应的电线。但在量子计算机中,由于纠缠的量子可以瞬间相互感知,编号相同的电线可以立即找到彼此并连接,这是因为量子纠缠允许它们“知道”彼此的状态。
科学家们显然也不会停止探索量子纠缠的奥秘,因为他们清楚,在这背后一定隐藏着更深层次的物理机制,这些机制有可能再次颠覆我们对世界的认知。
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