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量子力學

生活 更新时间:2024-06-28 19:01:08

北京時間10月4日,2022年諾貝爾物理學獎揭曉,Alain Aspect、JohnF.Clauser和Anton Zeilinger.獲獎。以表彰他們在量子信息科學研究方面作出的貢獻。獎金為1000萬瑞典克朗。

量子力學(2022諾貝爾物理學獎揭曉)1

2022年諾貝爾物理學獎發的衆望所歸,頒獎詞清晰表述了是為了表彰阿蘭·阿斯佩(Alan

Aspect)、約翰·弗朗西斯·克勞澤(JohnF. Clauser)、安東·塞林格(AntonZeilinger),在糾纏光

子實驗、驗證違反貝爾不等式和開創量子信息科學方面的貢獻。他們驗證了人類迄今為止發

現的最奇怪現象:量子糾纏。并且,他們的研究讓我們可以利用這種現象,來實現量子計算、

量子通信,甚至是為星際傳送這種科幻内容,提供了理論可能。

那麼,什麼是量子糾纏呢?

在量子力學裡,當幾個粒子在彼此相互作用後,由于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,隻能描述整體系統的性質,則稱這現象為量子纏結或量子糾纏(quantum entanglement)。量子糾纏是一種純粹發生于量子系統的現象;在經典力學裡,找不到類似的現象。

量子力學(2022諾貝爾物理學獎揭曉)2

首張量子糾纏影像

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,不符合定域性隐變量理論的預測,因此證實定域性隐變量理論不成立。但是,每一個相關實驗都存在有漏洞,這造成了實驗的正确性遭到質疑,在作總結之前,還需要完成更多精确的實驗。

這些年來,衆多研究結果促成了應用這些超強關聯來傳遞信息的可能性,從而導緻了量子密碼學的成功發展,最著名的有查理斯·貝内特(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号首先成功實現,兩個量子糾纏光子被分發到相距超過1200公裡的距離後,仍可繼續保持其量子糾纏的狀态。

2018年4月25日,芬蘭阿爾托大學教授麥卡﹒習岚帕(Mika Sillanpää)領導的實驗團隊成功地量子糾纏了兩個獨自震動的鼓膜。每個鼓膜的寬度隻有15微米,約為頭發的寬度,是由10個金屬鋁原子制成。通過超導微波電路,在接近絕對零度(-273.15攝氏度)下,兩個鼓膜持續進行了約30分鐘的互動。這實驗演示出宏觀的量子糾纏。

簡單來說,量子糾纏是兩個或者兩個以上粒子組成的粒子系統中,粒子相互影響時産生的現象,最特殊的地方在于,即使這些粒子在空間中是相互分開的,它們也可以相互影響,這是什麼概念呢?大概就類似于我們常說的“心靈感應”,兩個人不相互接觸,也可以相互影響對方。

量子力學(2022諾貝爾物理學獎揭曉)3

不過,量子糾纏本身不會傳遞信息,所以這個現象不違背我們的物理定律,自從人類的物理學誕生開始,就對“超遠距離作用”的存在争論不休,一些物理學家在解釋一些現象的時候,會假設存在某種超遠距離作用,但是更多的科學家認為,超遠距離作用并不存在,愛因斯坦也是這種觀點的支持者,可是量子糾纏就是一個現實存在的超遠距離作用。

量子糾纏神秘到什麼地步呢?兩個量子一個在地球,一個在月球,改變一個量子的狀态,另外一個量子的狀态也會發生變化,神奇之處在于這種變化是瞬間的,是忽略時間的,也可以理解為是超光速的,相對論并沒有限制超光速,而是限制了信息傳遞速度不能超光速,所以量子糾纏沒有違背物理定律,但是我們又不能很好的描述這個現象。

量子力學(2022諾貝爾物理學獎揭曉)4

愛因斯坦對量子力學的不滿意有很大一部分就源自于量子糾纏現象,愛因斯坦還曾經發表論文用量子糾纏來向世人闡述量子糾纏的不完善,其實愛因斯坦沒有覺得量子力學不正确或者是不靠譜,而是覺得量子力學這個理論不完善。

其實這是一件很正常的事情,人類物理學發展的時間并不長,總體來看隻發展了幾百年的時間,描述這個有138.2億年的宇宙肯定存在一些不完善的地方,人類的物理定律并不完善,換句話來說,想要找到一個完善的物理定律幾乎是不可能的事情,因為宇宙尺度遠超我們的想象,找到一個完美且可以描述一切的物理定律,需要十分漫長的時間,和超高的科技程度。

量子力學(2022諾貝爾物理學獎揭曉)5

所以,量子糾纏這個現象的神秘之處在于,我們無法很好解釋這個現象,在宇宙中也找不到其他類似的想象,所以才會感覺這個現象很“詭異”,不過這個現象本身是真實存在的,也沒有違背現有的定律。

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