量子纠缠,刷新世界观远超光速的“传输”

冷血の爱2017-07-31 13:20

量子纠缠是指粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象,这种影响不受距离的限制,即使两个粒子分隔在直径达10万光年的银河系两端,一个粒子的变化仍会瞬间影响另外一个粒子。像光子、电子一类的微观粒子,或者像分子、巴克明斯特富勒烯、甚至像小钻石一类的介观粒子,都可以观察到量子纠缠现象。

量子纠缠,远超光速的“传输”,世界观又被刷新了

量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象;在经典力学里,找不到类似的现象。假设,由两个粒子组成的复合系统处于量子纠缠,对于其中一个粒子做测量得到结果(例如,自旋为上旋),则另外一个粒子在之后任意时间做测量,必定会得到关联结果(在此案例里,自旋为下旋)。

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量子纠缠的作用速度比光速还快。最近完成的一项实验显示,量子纠缠的作用速度至少比光速快10,000倍。这还只是速度下限。根据量子理论,测量的效应具有瞬时性质。1935年,量子力学理论的“老对手”爱因斯坦最先指出“量子纠缠”的“荒谬之处”,在他和波多尔斯基、罗森共同发表的论文里,针对量子力学理论进行了批判,认为量子力学并不完备。

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根据量子力学的“不确定性原理”,处于纠缠态的两个粒子,在被“观测”之前,其状态是“不确定”的,如果对其中的一个粒子进行观测,在确定了这个粒子状态的同时(比如为上旋),另外的一个粒子的状态瞬间也会被确定(下旋)。这种鬼魅一般的“传递”作用不但有违常理,也“违背”了爱因斯坦的相对论,但这偏偏又是无可辩驳的事实,爱因斯坦据此认为量子力学仍然存在缺陷,是不完备的。

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“上帝不掷骰子”,这是爱因斯坦的名言,也是他一直质疑量子力学之根基——“不确定性原理”的原因所在,爱因斯坦厌恶这种“不确定性”。他认为肯定还有更好的解释,甚至是更完美、更完备的理论来解释这一切。按照爱因斯坦的理论,刨除“不确定性原理”的量子纠缠现象该这么解释:如同两个黑箱子里面各放一只手套一样,在不打开其中的一个箱子前,不确定里面是哪一只,一旦打开一个箱子,在看到这只手套的同时,可立即确定另外一个箱子里的手套是哪只。即使这两个箱子在银河系的两端。

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波尔是量子力学的重要奠基人之一,他提出了关于“量子纠缠”的解释:这个现象并不违背相对论,在量子力学的层面上,在测量粒子前,你不能定义它们,实际上它们仍是一个整体。不过在测量它们之后,它们就会脱离量子纠缠的状态。

爱因斯坦的主张得到了物理学家薛定谔的支持,爱因斯坦和薛定谔两人,在量子力学建立的初期做出了不可磨灭的贡献,但最终两人站在了量子力学的对立面,甚至连量子理论的最初创立者普朗克,因为那骇人听闻的“解释”而走向了量子力学的对立面。虽然爱因斯坦的解释更易被大众接受,也更易理解,但很遗憾,他是错的。实验证明,处于纠缠态的两个粒子在被测量前,其状态确实是不确定性的,这种不确定性与“黑箱手套”的解释有着根本的区别。

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根据“不确定性原理”,在观测处于纠缠态的一个粒子之前,你根本无法预测这粒子是什么状态,是粒子,是波,即是粒子又是波?亦或什么都不是。只有在观测的一霎那,它“变成”了你可以测量的粒子。这个解释当然让人难以信服,按照这个解释,当你不去看月亮时,月亮也会“发散”开来,变成一团非粒子亦非波的东西。甚至当你闭眼时,整个世界都会不存在?

我国明代的思想家王阳明有句名言:“你未看此花时,此花与汝同寂,你来看此花时,此花颜色一时明白起来 。”这句话长期被当成唯心主义言论而被批判,现在看来,这简直就是量子力学解释的翻版。

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为何这些现象和现实格格不入?其实量子力学的解释是基于普朗克尺度或亚原子尺度(极微观尺度)的,生活中的现象完全可以利用经典力学来解释。比如按照量子力学的原理,如果一个人不停地去撞墙,那么他确实有一定的几率“穿墙而过”,但这几率太小太小,他试到宇宙毁灭的那一刻可能都不会发生。

现代的物理学家已将量子纠缠现象视为粒子的基本特性,但是科学家仍不清楚其中的作用机制。

依据建立在“不确定性原理”基础上的“量子纠缠”,科学家们提出了“量子通信”的设想,按照不确定性的原理,这种传输信息的方式从根本上杜绝了被破译的可能,即使信息被截取,其“不确定性”使得破译者根本无从下手。

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1993年,美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信的概念。量子通信是由量子态携带信息的通信方式,它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。量子通信概念的提出,使爱因斯坦的“幽灵(Spooky)” ——量子纠缠效益开始真正发挥其真正的威力。

在贝内特提出量子通信概念以后,6位来自不同国家的科学家,基于量子纠缠理论,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案,即将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方,把另一个粒子制备到该量子态上,而原来的粒子仍留在原处,这就是量子通信最初的基本方案。

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1997年在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作,首次实现了未知量子态的远程传输。这是国际上首次在实验上成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上。实验中传输的只是表达量子信息的“状态”,作为信息载体的光子本身并不被传输。

2009年9月,潘建伟的科研团队在3节点链状光量子电话网的基础上,建成了世界上首个全通型量子通信网络,首次实现了实时语音量子保密通信。这一成果在同类产品中位居国际先进水平,标志着中国在城域量子网络关键技术方面已经达到了产业化要求。

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中国科学技术大学教授潘建伟、彭承志、陈宇翱等人,与中科院上海技术物理研究所王建宇、光电技术研究所黄永梅等组成联合团队,于2011年10月在青海湖首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。

在高损耗的地面成功传输100公里,意味着在低损耗的太空传输距离将可以达到1000公里以上,基本上解决了量子通讯卫星的远距离信息传输问题。以量子通讯卫星核心技术的突破,也表明未来构建全球量子通信网络具备技术可行性。

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这个自被提出之时就让人感到“匪夷所思”的理论和现象,在现代不但得到了验证,而且会在不远的将来造福人类。

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