薛定谔的猫?它描述了啥?啥是量子纠缠?啥是量子通信?

薛定谔的猫,是一个伟大的量子力学思维实验。

实验是这样的:一只猫,被关在一个密闭无窗的盒子里,盒子里有一些放射性物质。一旦放射性物质衰变,有一个装置就会使锤子砸碎毒药瓶,将猫毒死。反之,衰变未发生,猫便能活下来。

按照量子论的解释,因为这是一个量子事件,所以可以处于“发生”与“不发生”的叠加态。在打开盒子看猫之前,这只猫非生非死,而是处在典型的量子态,即活与不活叠加的离奇状态。

薛定谔的猫?它描述了啥?啥是量子纠缠?啥是量子通信?

薛定谔的猫

对于量子尺度的物体,比如一个原子,叠加态很正常。然而,薛定谔把量子事件与猫这样一个宏观物体纠缠起来,从而得到猫“既死又活”这样违背直觉的结果。

对于这个悖论,传统的解释是,观测叠加态将导致系统在两个状态中做出“选择”。薛定谔的猫起先处于生与死的叠加态,而一旦我们对其进行观测,则它会塌缩到其中一种状态。当我们看到猫的时候,它要么死,要么活,而不会处于叠加态。

但是,在我们观测猫的生死之前,它处于怎样的状态呢?根据哥本哈根诠释,这个问题本身就是没有意义的。只有我们能够观测的事物才能够成为事实,因而试图推测观测之前的事实,这本身就是荒谬的。

啥是量子纠缠:打个比方,假设你正在用烘干机烘干袜子。这台烘干机不知出了什么毛病,总是吐出不配对的袜子,每次吐出的都是颜色互补的两只。如果一只是红的,那么另一只就是绿的;如果一只是白的,另一只就是黑的。在我们观察它吐出的袜子之前,我们只知道它吐出的袜子颜色一定互补,但并不知道它吐出的是哪种互补颜色对。也就是说,不论吐出的颜色如何,两只袜子的颜色总是相关的。

量子烘干机吐出的一对量子袜子处于相关状态,一只的颜色与另一只的颜色相关联,但在我们尚未观察它们的时候,它们并没有客观确定的颜色。我们对其中一只量子袜子的观察,实际上决定了另一只量子袜子的颜色。如果我们用某种方式看到第一只量子袜子是红色的,那么另一只就是绿色的。我们也有可能换一种观察方式,看到第一只量子袜子是白色的,那么另一只就是黑色。

粗略地讲,这里的颜色并非某一只量子袜子的固有属性,而是由两只袜子共同携带的某种关联特性,是非定域的。我们说,这两只袜子的颜色是相互纠缠的。

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由上可以看出传递袜子颜色这个信息是不需要时间的,是不在乎空间的。即有某种超距现象。当我们对相距很远的两个物体中的一个进行测量的时候,另一个也会瞬间受到影响,仿佛两者之间相互作用的传递速度无限大。20世纪80年代,科学家利用激光进行实验,证明量子纠缠的效果的确如此,这并非是因为光子之间有“超光速”的相互作用,而是因为其量子特性本就由多个光子共同享有。这正是量子非定域性的体现。

这也正是量子通信的基本原理


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