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一張圖讀懂量子糾纏

民俗 更新时间:2024-07-28 19:10:08

說起量子糾纏,很多人都蜜汁困惑。比如:量子糾纏可以實現超光速。這一點連愛因斯坦都無法理解。

一張圖讀懂量子糾纏(一口氣搞懂量子糾纏的由來)1

其實,我們普通人不明白和愛因斯坦的是不一樣的,因為大多數人連為什麼量子糾纏會超光速都不清楚。今天,我們就來聊一聊量子糾纏到底咋來的?

不一樣的量子世界

這個要從我們的世界開始說起,話說牛頓的經典力學能夠解釋我們用肉眼所能看到的世界。當時很多人都以為物理學已經到了盡頭,再也不會發展。

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可萬萬沒想到,大家都太自信了。在近代,人類觀測技術水平直線上升,能開始知道原子及原子以内的世界。

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這時候他們發現,量子的世界壓根跟人類看到的世界不是一回事,這讓很多人都很困惑。那這個世界有啥奇怪的呢?最大的不同就是:概率

在這個世界充滿了不确定性,你永遠無法預測下一刻,某個電子的位置,你隻能知道的是電子出現在某個位置的概率是多少。

薛定谔的貓

這個世界太讓人感到匪夷所思,以至于連薛定谔這樣的物理大神都不能接受。于是,他提出了薛定谔的貓。那什麼是薛定谔的貓呢?

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薛定谔

這個思想實驗是這樣的:在一個盒子裡有一隻貓,以及少量放射性物質。之後,有50%的概率放射性物質将會衰變并釋放出毒氣殺死這隻貓,同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓将活下來。按照我們生活的世界的邏輯來理解,貓要麼死,要麼活。

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薛定谔的貓

可量子世界不這樣,實際上貓是處于又生又死疊加狀态的,貓到底是死是活必須在盒子打開後,外部觀測者觀測時才能确定。

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可能很多人沒想到的是,雖然薛定谔的成就對于量子力學有奠基作用,他本人一直都覺得這種離奇的事情不合理的,這樣的理論知識暫時性的,所以他提出這個思想實驗時,其實是用來嘲諷量子力學的支持者。而嘲諷的就是這個“疊加态”的不可思議。

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和薛定谔站在同一條戰線的領軍人物,也同樣對量子力學有奠基作用的愛因斯坦和德布羅意。

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德布羅意

而愛因斯坦作為反對量子力學的領軍人物,他和薛定谔一樣。也在試圖想辦法去證明量子力學有漏洞。

EPR實驗

在1935年,他帶着兩個小夥伴一起發表了篇著名的文章,這篇文章名震物理學江湖。人們把管這篇文章叫做EPR實驗。EPR是取自這三個人的名字的首字母(E:愛因斯坦 、P:波多爾斯基和R:羅森)。

在這篇文章中,愛因斯坦通過疊加态守恒律得出了一個結論,那就是量子世界會發生超光速的事情。那究竟是咋回事呢?

疊加态之前在薛定谔的貓中說到了,現在再來說說守恒律是啥,最簡單的守恒律其實就是1 1=2。這個守恒其實就是我們這個世界的基石。物理裡面的守恒律其實很多,比如能量守恒,動量守恒等等。其實意思和1 1=2是一樣的。就是說一個系統裡面,能量無論轉化成什麼形式,總量是固定不變的。

那為什麼兩個東西加起來就能超過速呢?

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事情是這樣的,如果做量子力學相關實驗室時,通常會用到電子。而且一般一整就得整一對。要知道,如果把兩個電子看成一個系統,那這兩個電子就要滿足守恒律。

比如說:動量守恒,或者角動量守恒。因為電子有自旋這個物理量,所以就要滿足角動量,那這兩個電子就得時時刻刻保持着自旋相反的狀态,無論離得多遠,畢竟是在一個系統内。

要知道電子又是處于疊加态的。所以這兩個電子,同時要處于疊加态,又要保持自旋相反。

如果兩個電子離得無限遠,當一個電子坍縮了,另一個也會同時坍縮,因為他們又要守恒,所以他們自旋就會相反。

可問題來了,離得這麼遠,那頭的電子咋知道,這邊的電子坍縮了?又咋知道對方自旋的方向?就是傳遞這個信息,最快也是光速,光速也要跑一會呢,可這兩個電子按照理論來看,就應該是同時坍縮,而且自旋相反。

要知道愛因斯坦的相對論裡有個基本假設:光速是物質和信息傳遞的最快速度,所以這讓愛因斯坦根本無法接受。所以他經常吐槽量子力學有問題,最有名的就是:

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這也就是量子糾纏的來源。後來還是薛定谔看到這篇論文時,就給這個現象取名叫做量子糾纏。發現沒有?量子力學中,你最熟悉的這些詞都是薛定谔取的,甚至很多人都以為薛定谔就是量子力學的終極打Boss。可實際上呢?這貨竟然是反對者。那些真正的擁趸不是物理學專業的很少人會知道。這件事告訴我們,會取名是一門手藝,搞得好還能名垂千古。

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愛因斯坦的慘敗

那到底是誰對誰錯呢?經過了幾十年的研究,EPR實驗變成了EPR佯謬。在物理學中,看到佯謬就要小心了,其實薛定谔的貓也叫做薛定谔的貓佯謬。

簡單理解就是,看起來好像是錯的,但實際上是對的。量子糾纏看起來是錯的,但實際是對的的,薛定谔的貓也同樣。

所以EPR實驗變成了EPR佯謬就是說,愛因斯坦錯了。

而證明他錯了的人,叫做貝爾。他是愛因斯坦的信徒,想證明愛因斯坦是對的,于是,他提出了貝爾不等式。

結果這個不等式導出愛因斯坦錯了,簡直是物理史上第一個腦殘粉,有木有?

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後來,很多實驗都證明了貝爾不等式的推論。

再後來,2018年7月,中國科大潘建偉團隊實現18個量子比特糾纏,再度刷新世界紀錄。

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