相信好多人都据说过量子纠缠,可谓量子世界最奇特的现象,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,但是,越了解量子纠缠,都会发觉它越美。
这么,哪些是量子纠缠呢?
数学学是这样定义的:当多个粒子发生作用然后,单个粒子拥有的特点会综合成为整体属性,于是就难以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些现象的。
假如我们检测纠缠中粒子的个别化学属性,例如说动量,位置,载流子等,其他粒子都会出现关联现象。
举个事例,我们假定一个零载流子的粒子,衰变为两个粒子,这两个粒子以相反方向联通分离。假如我们检测其中一个粒子,发觉载流子方向为上旋,这么另一个粒子的载流子方向必将是下旋。反之亦然。
还有一点,就会出现看似矛盾的现象:当我们检测其中一个粒午时,另一个粒子似乎早就晓得了我们要检测,但是晓得检测结果,顿时作出相应的改变来呼应检测的粒子。科学家并没有发觉任何信息传递的机制,但是不管两个粒子相距多远,哪怕数光年之外,也能顿时感应到对方。
怎样理解量子纠缠这些看似不合理的现象呢?首先我们须要明白几点。
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。至少目前科学家们并没有在宏观世界里发觉量子纠缠现象。
第二,量子纠缠必须发生在两个或两个以上的量子系统里,系统就代表着整体量子通讯技术,也就是说,我们只要提到量子纠缠,一定是一个整体。
第三,就是好多人关心的距离问题。理论上量子纠缠的距离不受限制量子通讯技术,也就是说可以很远很远。但实际上很难做到这点,由于纠缠中的粒子遭到任何方式的扰动,就会让纠缠态消失,而扰动本身就相当于观察。而宇宙中饱含了各类物质和能量,它们都可能会“观测”纠缠中的粒子。
科学家们以前做过好多量子纠缠的实验。譬如说,我国知名科学家潘建伟,早在2005年就率领团队做过量子纠缠实验,实验地点是安徽,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,复旦学院和中国科学技术学院联合进行了自由空间量子信道实验,宽度达到了16公里。而五年后的2009年,总算实现了世界最远距离的量子隐形态传输。同时也验证了这些隐形态传输可以穿越大气层,这个发觉为未来的全球化量子通讯网奠定了坚实的基础。
研究成果发表在知名刊物《自然》上,造成了很大关注。
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公里才能看下来。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,能够让相距很远的粒子发生纠缠,否则任何干扰就会让量子纠缠太解除,而现实中我们根本没法排除所有的干扰。
所以,量子纠缠发生的系统虽然会遭到很大限制,不是随意才能出现量子纠缠。例如说,你我二人分别拿一个手探照灯,打开手探照灯然后,光子之前就互相纠缠了,这些看法太简单了,是不可能的。
不过,随着人类科学的发展,科学家早已能让距离更远的粒子依然保持纠缠状态。例如说,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公里以后,仍能保持量子纠缠的状态。
见到这儿,你可能有好多疑惑: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,莫非相对论错了吗?该怎么理解量子纠缠中的“超光速”现象呢?
还有,基于量子纠缠而创建的量子密码学为何会这么安全,究竟是怎样运作的呢?
首先,量子纠缠看上去似乎是超光速了,但显然并不是真正意义上的超光速,并没有违背相对论,由于量子纠缠过程中并没有传递任何信息。
可以如此浅显理解量子纠缠:纠缠中的粒子表现下来的是整体性质,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,这么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”。例如说,你和我一起玩跷跷板,当我们二人坐在跷跷板上时,就有了“纠缠”的关联状态。你向上,我必然都会向下,反之亦然。
你我之间的作用是超距或则说是超光速完成的吗?并不是,由于你和我早已属于一个整体,与我们之间的距离无关。
还有一个很关键的问题:量子纠缠的本质究竟是哪些,也就是说,量子之间为何会发生纠缠?
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,整体系统具有个别化学性质,而子系统并不能擅自拥有这些化学性质,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”。这些不可分性与空间无关,于是我们能够将几个子系统分开,相距很远也能彰显出纠缠的特点。
这如同刚刚所说的“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化学属性。
这么,量子纠缠的系统究竟是哪些呢?应当是一种场,确切来讲,是电磁场,这也是量子纠缠的机制。
宇宙中饱含了各类场,例如说电磁场,而场的运动就可以产生波,例如说,光是一种电磁波,也可以觉得是运动的电磁场,遭到扰动的电磁场。
而理论上,场的幅射范围是无限远的,这也表明纠缠中的粒子虽然距离无限远,也会表现出纠缠态。但现实中很难做到这一点,由于场的硬度与距离息息相关吗,距离越远场的硬度越弱。
加上量子纠缠机制本身就很敏感,随着场硬度的变弱,纠缠中的粒子就更容易遭到干扰,因而让纠缠态解除。
其实,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,我们检测纠缠中的粒寅时,它们不能同时处于同一种状态,所以会出现诸如说一个载流子向下,一个载流子向上的情况。