相信很多人都听说过量子纠缠,堪称量子世界最诡异的现象,甚至没有之一,也是这个世界上最奇妙的事情。事实上量子纠缠也很美,而且,越了解量子纠缠,就会发现它越美。
那么,什么是量子纠缠呢?
物理学是这样定义的:当多个粒子发生作用之后,单个粒子拥有的特性会综合成为整体属性,于是就无法描述单个粒子的性质,只能描述整体性质。
量子纠缠现象只会发生在量子世界里,在宏观世界是没有这种现象的。
如果我们测量纠缠中粒子的某些物理属性,比如说动量,位置,自旋等,其他粒子就会出现关联现象。
举个例子,我们假设一个零自旋的粒子,衰变为两个粒子,这两个粒子以相反方向移动分离。如果我们测量其中一个粒子,发现自旋方向为上旋,那么另一个粒子的自旋方向必定是下旋。反之亦然。
还有一点,还会出现看似矛盾的现象:当我们测量其中一个粒子时,另一个粒子好像早就知道了我们要测量,并且知道测量结果,瞬间做出相应的改变来呼应测量的粒子。科学家并没有发现任何信息传递的机制,而且不管两个粒子相距多远,哪怕数光年之外,也能瞬间感应到对方。
如何理解量子纠缠这种看似不合理的现象呢?首先我们需要明白几点。
第一,量子纠缠只会发生在量子世界,在我们的宏观世界里是不会出现的。起码目前科学家们并没有在宏观世界里发现量子纠缠现象。
第二,量子纠缠必须发生在两个或两个以上的量子系统里,系统就代表着整体,也就是说,我们只要谈到量子纠缠,一定是一个整体。
第三,就是很多人关心的距离问题。理论上量子纠缠的距离不受限制,也就是说可以很远很远。但实际上很难做到这点,因为纠缠中的粒子受到任何形式的扰动,都会让纠缠态消失,而扰动本身就相当于观察。而宇宙中充满了各种物质和能量,它们都可能会“观测”纠缠中的粒子。
科学家们曾经做过很多量子纠缠的实验。比如说,我国著名科学家潘建伟,早在2005年就带领团队做过量子纠缠实验,实验地点是合肥,在相距13公里的自由空间里验证了量子纠缠的可行性。
2007年,清华大学和中国科学技术大学联合进行了自由空间量子信道实验,长度达到了16公里。而两年后的2009年,终于实现了世界最远距离的量子隐形态传输。同时也验证了这种隐形态传输可以穿越大气层,这个发现为未来的全球化量子通信网奠定了坚实的基础。
研究成果发表在著名杂志《自然》上,引起了很大关注。
不过,从实验结果来看,量子隐形态传输的距离要求是很高的,现实中很难实现远距离传输,从实验的距离13公里和16公里就能看出来。现实中要让两个相距数光年远的粒子发生纠缠,几乎不可能。
只有排除所有的干扰,才能让相距很远的粒子发生纠缠,否则任何干扰都会让量子纠缠太解除,而现实中我们根本无法排除所有的干扰。
所以,量子纠缠发生的系统其实会受到很大限制,不是随便就能出现量子纠缠。比如说,你我两人分别拿一个手电筒,打开手电筒之后,光子之前就相互纠缠了,这种想法太简单了,是不可能的。
不过,随着人类科学的发展,科学家已经能让距离更远的粒子仍然保持纠缠状态。比如说,在2017年,我国的墨子号量子实验卫星首次做到了这一点:把纠缠中的光子分发到相距1200公里之后,仍能保持量子纠缠的状态。
看到这里,你可能有很多疑问:相距1200公里也能保持量子纠缠状态,是不是表明光子超光速了,难道相对论错了吗?该如何理解量子纠缠中的“超光速”现象呢?
还有,基于量子纠缠而创建的量子密码学为什么会如此安全,到底是如何运作的呢?
首先,量子纠缠看起来好像是超光速了,但其实并不是真正意义上的超光速,并没有违反相对论,因为量子纠缠过程中并没有传递任何信息。
可以这么通俗理解量子纠缠:纠缠中的粒子表现出来的是整体性质,也就是说它们是在一个波函数下的状态,而理论上波函数可以覆盖任何地方,甚至是全宇宙,如此一来就和距离没有关系了。
用一种宏观现象去理解量子纠缠的状态,就是“跷跷板”。比如说,你和我一起玩跷跷板,当我们两人坐在跷跷板上时,就有了“纠缠”的关联状态。你向下,我必然就会向上,反之亦然。
你我之间的作用是超距或者说是超光速完成的吗?并不是,因为你和我已经属于一个整体,与我们之间的距离无关。
还有一个很关键的问题:量子纠缠的本质到底是什么,也就是说,量子之间为什么会发生纠缠?
开头也说了,量子纠缠描述的是一个系统的整体属性,整体系统是由几个纠缠中的子系统组成的,整体系统具有某些物理性质,而子系统并不能私自拥有这种物理性质,只能描述整体系统的性质。
也就是说,整体性质具有“不可分性”。这种不可分性与空间无关,于是我们就能将几个子系统分开,相距很远也能体现出纠缠的特性。
这就像刚才所说的“跷跷板”,跷跷板就是一个整体系统,我们只能描述跷跷板的整体系统,跷跷板上的你和我不管相距多远,都有关联性,你和我都不能拥有自己独立的物理属性。
那么,量子纠缠的系统到底是什么呢?应该是一种场,准确来讲,是电磁场,这也是量子纠缠的机制。
宇宙中充满了各种场,比如说电磁场,而场的运动就可以形成波,比如说,光是一种电磁波,也可以认为是运动的电磁场,受到扰动的电磁场。
而理论上,场的辐射范围是无限远的,这也表明纠缠中的粒子即便距离无限远,也会表现出纠缠态。但现实中很难做到这一点,因为场的强度与距离息息相关吗,距离越远场的强度越弱。
加上量子纠缠机制本身就很敏感,随着场强度的变弱,纠缠中的粒子就更容易受到干扰,从而让纠缠态解除。
总之,还是那句话,纠缠中的粒子是用一个波函数描述的,纠缠中的两个或多个粒子是一个整体,我们测量纠缠中的粒子时,它们不能同时处于同一种状态,所以会出现比如说一个自旋向上,一个自旋向下的情况。
发表评论:
◎欢迎参与讨论,请在这里发表您的看法、交流您的观点。