*量子纠缠(Quantum entanglement)
量子纠缠(Quantum entanglement)是量子力学中的一个重要概念,用来描述两个或多个粒子之间的非经典关联关系。
在量子力学中,粒子的状态通常被描述为波函数。当两个或多个粒子发生相互作用后,它们的波函数可以变成一个复合系统的波函数。如果这个复合系统的波函数不能被分解成各个粒子的独立波函数的乘积形式,那么这些粒子就处于纠缠状态。
量子纠缠的一个重要特征是,当一个粒子的状态发生改变时,与之纠缠的其他粒子的状态也会瞬间发生对应的变化,无论它们之间的距离有多远,这种作用是超距的,即在纠缠态下的粒子之间似乎存在着一种看似瞬间的相互关联。这种现象被爱因斯坦称为"鬼魅般的遥远作用"。
量子纠缠是量子力学的核心特征之一,它在量子计算、量子通信和量子密码等领域具有重要应用。量子纠缠也产生了一些奇特的现象,如量子纠缠隐形传态和量子纠缠的量子隐形传态等,这些现象在研究和理解量子力学的基本原理和性质方面具有重要意义。
是的,量子纠缠在量子通信和量子计算中起着重要的作用。
在量子通信中,量子纠缠可以用于实现量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)。通过纠缠态的传输,两个远距离的通信方可以共享一个秘密密钥,该密钥具有高度的安全性,因为任何对纠缠态进行窃听或测量的尝试都会被探测到。这种基于量子纠缠的量子密钥分发可以用于安全的加密通信。
在量子计算中,量子纠缠可以用于实现量子比特之间的并行计算和量子并行性。通过纠缠态的操作,量子计算机可以同时处理多个量子比特的信息,从而在某些情况下加速计算速度。量子纠缠还可以用于实现量子门操作,这是量子计算中的基本操作,用于实现量子比特之间的逻辑运算。
此外,量子纠缠还在量子模拟、量子传感和量子通信网络等领域中有广泛应用。它为实现更强大和高效的量子技术提供了基础,同时也带来了许多新颖和有趣的科学研究问题。尽管量子纠缠的特性和应用非常有前景,但在实际应用中仍然需要克服许多技术和工程上的挑战。
量子纠缠在量子模拟、量子传感和量子通信网络等领域中有多种应用。以下是其中一些常见的应用:
量子模拟(Quantum Simulation):量子纠缠可以用于模拟复杂的量子系统行为。通过纠缠态的构建和操作,可以模拟分子结构、凝聚态物理系统等。这对于研究化学反应、材料性质以及量子物理现象具有重要意义。
量子传感(Quantum Sensing):量子纠缠在精密测量和传感领域有广泛应用。通过纠缠态的利用,可以提高传感器的灵敏度和测量精度。例如,利用纠缠态可以实现更高精度的时间测量、磁场测量、重力测量等,对地震监测、导航系统和生物医学成像等有重要意义。
量子通信网络(Quantum Communication Network):量子纠缠在量子通信网络中起着关键作用。通过纠缠态的分发和操控,可以实现量子通信网络中的量子比特传输、量子密钥分发和量子远程态传输等。这为实现安全的、高效的量子通信网络提供了基础。
量子隐形传态(Quantum Teleportation):量子纠缠是实现量子隐形传态的基础。量子隐形传态是一种利用纠缠态将一个量子比特的状态传输到另一个量子比特的技术,实现了量子信息的非局域传输。
这些应用只是量子纠缠在不同领域中的一些例子,随着量子技术的发展,我们可以期待更多创新和应用的出现。量子纠缠的特性为实现更强大的量子技术和解决复杂问题提供了潜在的优势。
*量子纠缠新发现:令人毛骨悚然的神奇现象
量子纠缠是一种经常被误解的现象。不了解它的人可能会认为这又是老生常谈了,明明用普通概率论就能轻易解释。而对于了解的人来说,它是一种令人毛骨悚然的神奇现象,以颇为神秘的方式解释现实的本质。
事实上,量子纠缠兼具以上两种特点。如果抛开现实世界的运作原理不谈,那么量子纠缠可以用普通概率理论来解释。虽然它可能会出现超距幽灵作用(spooky action at a distance),但只有当无法从多维角度思考它时,它才会成立。
首先,来讲讲什么是量子纠缠?简单地说,纠缠就是有两个及以上量子系统,比如光子,它们只有单个量子态。从专业角度而言就是,系统组合的冯·诺依曼熵要小于单个系统的熵。冯·诺伊曼熵是普通熵的量子模拟,描述了量子态处于“纯态”或“混态”的程度。
混态指的是普通概率,比如猜硬币正反的游戏。混态即是正面和反面的混合体,虽然看不见,但可以知道不是正面就是反面。因为硬币只有两种可能的状态,所以熵不为零(与log2成正比)。
纯态指的是状态的量子叠加,其中一个粒子同时处于两种或两种以上的状态。因此,若有一个量子态硬币在处于正面和反面的叠加态中,那就不能说它是正面或反面,在被观察到之前,它处于既是正面又是反面的状态。因为正面和反面是单个量子态而不是两个状态的混态,所以其熵为零。
要明确的一点是:它处于一种确定的状态,而不是两种可能的状态之一,尽管结果最终是随机的。
图源:Pixabay
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一个纠缠态集意味着耦合系统作为一个整体是“纯态”而非“混态”(纯态的混合物也有,但此处不作讨论)。
这一点很重要,因为其有可能证明这样一个观点:当有两个纠缠的粒子时,比如从π介子衰变中得到的两个自旋相反的光子,测量其中一个,另一个必然是相关的,这取决于测量的哪个自旋方向的分量。
光子有两个自旋分量,例如x和y。如果测量垂直自旋分量,它们根本不相关。如果测量平行自旋分量,则是完全相反的。如果以其他角度进行测量,它们就会根据选择测量的角度的余弦值相关。
纠缠本质上就如同测量一个物体,而该物体会把测量到的信息传递给另一个物体,因为在另一个物体上测量的信息似乎取决于如何测量第一个物体。
假设创建两个光子,一个发送给笔者在四光年外的半人马座阿尔法星(A)的同事,另一个发送给反方向四光年之外的波尔星飞船(B)上的科学家。如果玻尔星的研究人员和半人马座阿尔法星的研究人员同时进行测量,他们会发现测量结果相互关联。然而,即使信息以光速传播,也来不及抵达彼此所在的位置。
接下来讲到的内容可能会稍显奇怪,但在这之前笔者还要讲一点关于量子力学中测量原理的题外话。
根据海森堡的测不准原理,在任一坐标系中,实验人员只能测量自旋的一个分量(描述这一现象的专业术语叫做“自旋分量不交换”)。与位置和动量类似,一旦测量了单个粒子的一个自旋分量,就无法测量另一个。但是却可以测量一个粒子的一个分量和另一个纠缠粒子的另一个分量,并通过结合这两个测量结果得出这两个粒子的完整自旋状态。
例如,若测得A的x分量是正的,B的y分量是负的,那么可以得出A的y分量是正的而B的x分量是负的。
爱因斯坦的波多尔斯基—波多尔斯基—罗森悖论称这是量子理论中的一个严重问题,但事实并非如此。毕竟,这并不是说你不可能知道单个量子粒子的完整自旋状态。你只不过不能基于单一的粒子同时测量二者罢了。
当对一个纯态的量子进行测量时,会使该状态“坍缩”成该状态的一个观测值。这意味着什么我们无从得知,但似乎测量这一行为(粒子与宏观测量仪器的相互作用)以某种方式从本质上使粒子从量子转变为经典概率。
再来回顾一下星际实验,A和B的相关结果并不罕见,因为这两个光子是一起产生的。问题是,它们是相互关联的,与两位实验者选择的自旋分量测量值之间夹角的余弦成比例。两者之间必然存在某种信息传递,否则这是不可能的。创建两个混态的自旋经典相关的光子(这意味着笔者只用了自己选择的自旋粒子)并将它们发送出去,在该角度上,二者呈线性相关。
外星人和玻尔星的同事们得到他们所看到的相关性的唯一方法是,当测量光子时,二者是否相互独立。这就是所谓的贝尔定理(Bell’s theorem)的基础,即量子测量理论。
但既然测量时这两个光子相距8光年,它们怎么可能不是独立的呢?这是不是违背了光速对信息传递的限制条件?这不是一种超距幽灵作用吗?(超距幽灵作用指的是非局域的量子态,这完全取决于个人对量子力学的理解。)
在笔者看来,量子纠缠的奥秘与量子状态相关。
首先,从量子粒子的角度来想象自旋状态是什么样的。假设光子有一个小指针,类似于速度计上的指针,它可以随机地转动,在时空中呈现不同的角度。由于运动方向上的任何分量都会被相对论效应压扁,指针会指向垂直于它的路径。
现在,假设两个完全纠缠在一起的光子(纯态),二者自旋方向相反(就像一个介子的衰变一样),那么这两个光子的指针将指向任一随机方向,且无论它们相距多远,其指向方向相反。这意味着,无论二者是相隔两光年、四光年还是八光年,他们都将始终保持距离正好180度的指向角。
(有些人会说光子并不是随机选择的指向角度,而是存在于一个移动的概率场中,这个概率场将所有这些随机角度都作为可能性来体现。笔者认为自己的图更形象,而且这两幅图是等价的。这只是规范量子力学和费曼-卡克随机方程之间的等价。)
除非光子之间的确存在信息传递,否则这似乎没有意义,但还是有一个解决办法。
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光子不是单个粒子,而是存在于时空中的被称为世界线(world line)的单一结构的一部分。一条世界线仅仅是一个光子的路径,但在这种情况下,我们有两个光子属于同一条世界线。如果作图画出来,它看起来就会像一个V形图,V的底部是创建事件,V的两个顶部是两个测量事件。
理解纠缠的关键是把V看成一条世界线,而不是两条独立的世界线。在纠缠事件产生之时,这条世界线在时间上发生弯折。这就是四维思考的方式。
当光子沿着V传播时,在每一个时刻,V作为一个整体从所有可能的V中随机选择(所有可能的状态的空间称为相空间)。因此,每一刻都包含着两个光子的所有可能的自旋状态。从专业角度而言,V也包括从发射器到检测器的不同路径,但此处仅涉及自旋。这种方法并不涉及量子概率论,只是一个纯粹的经典概率模型,但其与世界线有关,与点粒子无关。
这就是二者的区别所在。
我们不是还在谈论即时信息传递吗?
是,但也不全是。我们所谈论的是历史从一个时刻到另一个时刻的随机变化。因此,不存在从一个点到另一个点的信息传递,过去和现在是作为一个整体变化的,这意味着过去不是固定不变的,未来也不是独立变化的。
这听起来像是一个可怕的命题,但它完全符合量子理论。粒子状态呈现出非局域性是因为它们是存在于时间和空间中的非局域物体,其历史作为一个整体是随机波动的。
经典系统,如气体,同样在时间的每一时刻随机波动,但不会改变它们的历史。量子力学认为,宇宙就像由世界线(或者是在场论中的“场”)组成的气体一样,随机变化,但始终严格遵循能量守恒定律,角动量守恒定律及线性动量守恒定律。
人类的历史呢?我们无从得知它是否是随机波动的,因为我们身在其中,与它一同变化。但笔者认为,宏观现象受同样的波动影响,甚至当它们与量子现象相互作用时也是如此。这听起来可能有些牵强。唯一的办法就是沿着历史的轨迹走下去,对于任何给定的量子系统都有且只有一个随机选择的世界线。这就是历史,故事的结局。
笔者的方法是,假设量子历史是动态的,并在通过第五维传播时随机波动。由于在第五维中传播世界线的法则存在限制,产生自旋纠缠的角动量守恒。因此,一个粒子的任何变化都必须在另一个粒子上反映出来,反之亦然,两者之间没有信息传递,所有的事件都是局域性的。明显的非局部性由世界线的非局部性结构来处理。
在量子系统与像我们这样的宏观系统相互作用时,它们会解码,这意味着其波动可能会受到宏观边界条件的影响,而由于量子系统如同一个大的储层,宏观系统便既能吸收又能影响量子系统。
换句话说,测量可以是双向的,它限制了粒子世界线的自由波动,就像它获取粒子状态信息一样。
图源:unsplash
虽然可以证明一个波动的历史模型是与量子力学一致的,但即便考虑到量子的影响(例如宇宙射线对进化的影响),也绝无可能证明经典历史也是波动的。所以,到目前为止,为人所知的大部分历史可能都是固定不变的。
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科学突破:量子纠缠或将实现瞬间移动,人类北极的未来
当探讨瞬间超光速量子纠缠和物理学移动时,我们打开了通向未来的大门。超光速量子纠缠是一种神秘而复杂的现象,通过它,我们或许可以突破传统的约瑟夫,实现人类向往已久的瞬间移动论文。将深入研究这一引人入胜的话题,探索超光速量子纠缠与瞬间移动之间的关系,以揭示这一科学之谜的真相。
1、超光速量子纠缠的不寻常特性
量子纠缠是指两个或多个量子系统之间存在特殊的联系。当一个系统发生变化时,量子纠缠的系统也会立即做出相应的改变,无论它们之间的距离有多远。种不同寻常的联系被爱因斯坦称为“鬼魂在距离上的影响力”,因为它挑战了传统物理学的因果关系,将影响分级超过光速的界限。
超光速量子纠缠的特性可以通过实验来验证。科学家使用量子比特,即量子信息的基本单元,来研究这一现象。发现他们,将两个纠缠的比特量子隔开放置在不同的实验室中,改变一个量子比特的状态会导致另一个量子比特瞬间发生相应的变化,无论它们之间的距离有多远。
超光速的纠缠现象挑战了爱因斯坦的相对论,因为相对论,信息传递的速度不宜超过光速。因此,科学家提出了“非局域性”的概念,认为量子纠缠不需要这种传统的信息传递来实现,而是通过一种超越物理世界的方式。
尽管超光速量子纠缠引发了广泛的讨论和争议,但它为我们提供了突破传统物理学的可能性。它打开了探索新原理和现象的大门,有助于推动科学的发展。
2、应用领域的潜力
超光速量子纠缠具有巨大的应用潜力。它可以实现量子通信和量子计算等领域,提供更快速、安全和更强的数据传输和计算能力。在量子通信领域,超光速量子纠缠可以保证通信的安全性,因为任何对量子纠缠的干扰都会立即被检测到。在量子计算中,超光速量子纠缠可以提高计算速度和处理能力,有望在解决复杂问题和优化算法方面发挥关键作用。
然而,实现和控制超光速纠缠仍然是一个技术难题,需要更多的研究和实验验证。虽然超光速纠缠为我们带来了希望,但也需要面对一系列挑战和问题。
3、量子纠缠和认识之间的联系
有关灵魂和量子纠缠之间的联系是一个备受关注的话题。科学家们研究了量子纠缠与认识之间是否存在某种联系。实验中使用了光子来模拟灵魂或意识,通过量子发现两个光子纠缠速度可以相互影响,即使它们在空间上被隔离。这挑战了传统观念,即信息传递速度不能超过光。
然而,要解答关于灵魂与量子纠缠之间的联系问题并不容易,因为或意识的本质仍然是科学上难以立足或测量的领域。研究这一主题需要更多的探索和深入研究。
尽管这一领域存在许多未解之谜,但通过科学的努力,或许有朝一日将我们更好地理解超光速量子纠缠和认识之间的奥秘。在科学探索的过程中,需要保持开放的思维,严谨考虑现有的证据和理论,以更好地理解和人类意识的奥秘。
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