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量子為什麼會發生糾纏?深層解讀量子糾纏的本質

2024-02-05 13:34:29

相信很多人都聽說過量子糾纏,堪稱量子世界最詭異的現象,甚至沒有之一,也是這個世界上最奇妙的事情。事實上量子糾纏也很美,而且,越瞭解量子糾纏,就會發現它越美。

那麼,什麼是量子糾纏呢?

物理學是這樣定義的:當多個粒子發生作用之後,單個粒子擁有的特性會綜合成為整體屬性,於是就無法描述單個粒子的性質,只能描述整體性質。

量子糾纏現象只會發生在量子世界裡,在宏觀世界是沒有這種現象的。

如果我們測量糾纏中粒子的某些物理屬性,比如說動量,位置,自旋等,其他粒子就會出現關聯現象。

舉個例子,我們假設一個零自旋的粒子,衰變為兩個粒子,這兩個粒子以相反方向移動分離。如果我們測量其中一個粒子,發現自旋方向為上旋,那麼另一個粒子的自旋方向必定是下旋。反之亦然。

還有一點,還會出現看似矛盾的現象:當我們測量其中一個粒子時,另一個粒子好像早就知道了我們要測量,並且知道測量結果,瞬間做出相應的改變來呼應測量的粒子。科學家並沒有發現任何資訊傳遞的機制,而且不管兩個粒子相距多遠,哪怕數光年之外,也能瞬間感應到對方。

如何理解量子糾纏這種看似不合理的現象呢?首先我們需要明白幾點。

第一,量子糾纏只會發生在量子世界,在我們的宏觀世界裡是不會出現的。起碼目前科學家們並沒有在宏觀世界裡發現量子糾纏現象。

第二,量子糾纏必須發生在兩個或兩個以上的量子系統裡,系統就代表著整體,也就是說,我們只要談到量子糾纏,一定是一個整體。

第三,就是很多人關心的距離問題。理論上量子糾纏的距離不受限制,也就是說可以很遠很遠。但實際上很難做到這點,因為糾纏中的粒子受到任何形式的擾動,都會讓糾纏態消失,而擾動本身就相當於觀察。而宇宙中充滿了各種物質和能量,它們都可能會“觀測”糾纏中的粒子。

科學家們曾經做過很多量子糾纏的實驗。比如說,我國著名科學家潘建偉,早在2005年就帶領團隊做過量子糾纏實驗,實驗地點是合肥,在相距13公里的自由空間裡驗證了量子糾纏的可行性。

2007年,清華大學和中國科學技術大學聯合進行了自由空間量子通道實驗,長度達到了16公里。而兩年後的2009年,終於實現了世界最遠距離的量子隱形態傳輸。同時也驗證了這種隱形態傳輸可以穿越大氣層,這個發現為未來的全球化量子通訊網奠定了堅實的基礎。

研究成果發表在著名雜誌《自然》上,引起了很大關注。

不過,從實驗結果來看,量子隱形態傳輸的距離要求是很高的,現實中很難實現遠距離傳輸,從實驗的距離13公里和16公里就能看出來。現實中要讓兩個相距數光年遠的粒子發生糾纏,幾乎不可能。

只有排除所有的干擾,才能讓相距很遠的粒子發生糾纏,否則任何干擾都會讓量子糾纏太解除,而現實中我們根本無法排除所有的干擾。

所以,量子糾纏發生的系統其實會受到很大限制,不是隨便就能出現量子糾纏。比如說,你我兩人分別拿一個手電筒,開啟手電筒之後,光子之前就相互糾纏了,這種想法太簡單了,是不可能的。

不過,隨著人類科學的發展,科學家已經能讓距離更遠的粒子仍然保持糾纏狀態。比如說,在2017年,我國的墨子號量子實驗衛星首次做到了這一點:把糾纏中的光子分發到相距1200公里之後,仍能保持量子糾纏的狀態。

看到這裡,你可能有很多疑問:相距1200公里也能保持量子糾纏狀態,是不是表明光子超光速了,難道相對論錯了嗎?該如何理解量子糾纏中的“超光速”現象呢?

還有,基於量子糾纏而建立的量子密碼學為什麼會如此安全,到底是如何運作的呢?

首先,量子糾纏看起來好像是超光速了,但其實並不是真正意義上的超光速,並沒有違反相對論,因為量子糾纏過程中並沒有傳遞任何資訊。

可以這麼通俗理解量子糾纏:糾纏中的粒子表現出來的是整體性質,也就是說它們是在一個波函式下的狀態,而理論上波函式可以覆蓋任何地方,甚至是全宇宙,如此一來就和距離沒有關係了。

用一種宏觀現象去理解量子糾纏的狀態,就是“蹺蹺板”。比如說,你和我一起玩蹺蹺板,當我們兩人坐在蹺蹺板上時,就有了“糾纏”的關聯狀態。你向下,我必然就會向上,反之亦然。

你我之間的作用是超距或者說是超光速完成的嗎?並不是,因為你和我已經屬於一個整體,與我們之間的距離無關。

還有一個很關鍵的問題:量子糾纏的本質到底是什麼,也就是說,量子之間為什麼會發生糾纏?

開頭也說了,量子糾纏描述的是一個系統的整體屬性,整體系統是由幾個糾纏中的子系統組成的,整體系統具有某些物理性質,而子系統並不能私自擁有這種物理性質,只能描述整體系統的性質。

也就是說,整體性質具有“不可分性”。這種不可分性與空間無關,於是我們就能將幾個子系統分開,相距很遠也能體現出糾纏的特性。

這就像剛才所說的“蹺蹺板”,蹺蹺板就是一個整體系統,我們只能描述蹺蹺板的整體系統,蹺蹺板上的你和我不管相距多遠,都有關聯性,你和我都不能擁有自己獨立的物理屬性。

那麼,量子糾纏的系統到底是什麼呢?應該是一種場,準確來講,是電磁場,這也是量子糾纏的機制。

宇宙中充滿了各種場,比如說電磁場,而場的運動就可以形成波,比如說,光是一種電磁波,也可以認為是運動的電磁場,受到擾動的電磁場。

而理論上,場的輻射範圍是無限遠的,這也表明糾纏中的粒子即便距離無限遠,也會表現出糾纏態。但現實中很難做到這一點,因為場的強度與距離息息相關嗎,距離越遠場的強度越弱。

加上量子糾纏機制本身就很敏感,隨著場強度的變弱,糾纏中的粒子就更容易受到干擾,從而讓糾纏態解除。

總之,還是那句話,糾纏中的粒子是用一個波函式描述的,糾纏中的兩個或多個粒子是一個整體,我們測量糾纏中的粒子時,它們不能同時處於同一種狀態,所以會出現比如說一個自旋向上,一個自旋向下的情況。

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