请问量子纠缠究竟是什么原理呢?

水花石落

这个问题涉及到很多东西,基本都是可以动摇物理大厦基础的,例如量子力学的完备性,光速是不是可以超越还有那只不死不活的猫,当然还有人说这和心灵感应有关。

要说量子纠缠,就要先说EPR悖论

爱神一辈子做了三件小事,一是狭义相对论,一是广义相对论,还有一个就是专业怼量子学派,在和量子学派交锋过程中,大神玻尔见招拆招,破解了不少爱神对量子力学的质疑,也极大地推进了量子力学,但是对于EPR悖论,却让玻尔头疼不已。

爱神一直看量子力学不爽,虽然他也是量子力学的奠基人,声称“上帝不掷骰子”,于1935年联合波多尔斯基、罗森提出了EPR悖论,注意啊,不是ERP,是EPR,就是他们三个名字的首字母,E就是爱神。

EPR悖论主要针对的是测不准原理,如果把一个粒子分成两块,一块为A,一块为B,他们就开始运动,过一段时间,测量A的位置,根据测不准原理,是不能测得其动量的,但是我们可以测B的动量,根据动量守恒定理,就可以知道A的动量了,那么这么说岂不是同时知道了A的动量和位置了。

有点糊涂是吧,还是说通俗点吧,假设爱神有一双手套,一个寄给了一万光年之外玻尔,一个自己留着,在玻尔打开快递的同时,玻尔看到了一只左手套,那么玻尔就立即知道了爱神手中的是右手套,就是说玻尔在一瞬间就知道了一万光年之外的信息,这是不可能的,因为光速不可超越。

EPR悖论提出后,爱神的小弟泡利不由得心中大喜,泡利虽然是量子学派的大神,但是一直以爱神继承人自居,看到量子力学遭遇困境,自是喜不自胜,立即要求海森堡提出解释,测不准原理就是海森堡提出的,他不解释谁解释,海森堡沉吟良久,写了一篇草稿,但是没有发表。

薛定谔表示爱神说的有道理,还火上浇油,提出了薛定谔的猫来助阵,这都一群什么人啊。

眼瞅着量子学派分崩离析,作为掌门人的玻尔心如汤煮,赶紧回应,再不回应,量子学派就集体追随爱神了,他这半个武林盟主就干不成了。

玻尔说“测量的动作会造成不可避免的物理干扰”,这是量子力学的老论调了,还是打个比方,经典物理学家就好比在看戏的观众,无论怎么叫好都不会影响剧情的发展,这倒是真的,没听说过观众一声喝彩,楚霸王就不自刎了,跨上乌骓,就把韩信反推了,而现代物理学家就好比在看球赛,全场欢呼会影响球员的发挥状态的,这也没错,所以现在足球比赛都分主场客场就是这个道理。

可是这个还是说不通啊,因为爱神做的是思想实验,根本就没有干扰的问题,就好像我们在电视前看足球比赛直播,你再怎么喊,就算砸了你家电视,也不会影响现场效果的。

玻尔琢磨了一下,继续说,被测量的微观粒子和测量仪器构成一个整体,测量粒子A的位置的仪器可以测得A的位置,从而知道B的位置,但是因为不能测量A的动量,所以也就不能测得B的动量。

听起来更糊涂了是吧,确实是,因为玻尔自己也不清楚。

这就是所谓的量子纠缠,起因是爱神认为量子力学是一个不完备的理论,在量子力学后面还存在着一个更完备的理论,而量子力学只是一个近似理论,爱神,你好傲娇啊。

爱神和玻尔争论了后半生,谁也没说服谁,估计在天堂俩人还在争论不休。

之后提出了很多解释,例如玻姆隐变量、贝尔不等式等,但是都没有很好的解释清楚。

量子纠缠其根本已经超越了物理学范畴,进入了哲学领域,所以说什么心灵感应了,神了都被提了出来。

但是结果到底是谁正确呢?爱神这次还真错了。

物理学家嘛,说不清楚,咱就做实验,实验证明这种幽灵般的纠缠是存在的,目前最著名的就是墨子号量子卫星的量子纠缠实验。

这么说来,是不是光速可以超越了呢?

光速是不是可以超越?

光速当然可以超越,爱神从来没有说过光速不可超越,爱神说的是质量和信息不能超越光速,就是说量子纠缠可以存在,但是对于信息传递却没有什么用,即便知道了量子纠缠现象,但是要知道其含有的信息含义,还需要时间分析解释,有这个时间,信息已经传输过来了。

量子通信要的并不是超光速,而是其保密性,即便截获了信号,但是你不能观察啊,薛定谔的猫表示你不知道我是死是活,只要一观察,波函数就塌陷,那还看个什么劲啊。

不好意思,勉力解释了一下,不过也没有说太清楚,这个事情谁能说清楚呢?说不定真的只有上帝才清楚。


闲时乱翻书

量子纠缠(quantum entanglement),或称量子缠结,是一种量子力学现象,是1935年由爱因斯坦、波多尔斯基和罗森提出的一种波。简单的说,量子纠缠就是在两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象,虽然粒子在空间上可能分开,但影响不变。纠缠是关于量子力学理论最著名的预测。它描述了两个粒子互相纠缠,即使相距遥远距离,一个粒子的行为将会影响另一个的状态。当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化,另一颗也会即刻发生相应的状态变化。

由于量子的这种特特性,一些人们认为,量子传输可以实现瞬间传输,比如在三十万公里的地方,两个纠缠着的量子在这头测量了一个,状态发生了变化,另一个对应马上也会发生相应的变化,这种传输是即时的,光速要1秒,量子则是说到曹操曹操就到,立刻,所以是超过光速的,有人认为超过光速几千倍,有人认为超过一万倍,还有的认为更多。

但这个结果是不是突破了爱因斯坦相对论提出的光速限制理论呢?事实并非如此。研究表明,量子纠缠状态及其影响并不能按照光速理论来解释,它们原本是在一起的有着相同特性的粒子,把它们分开后还保存着这种特性而已。测量它们的一方,另一方表现出相同的状态,不是通过我们世界的时空来传输的,而是通过一个看不见摸不着而且永远也不可能弄清的方式进行纠缠的。根据玻姆理论的预言,尽管它为粒子找回了轨迹,但却是一条永远不可见的轨迹,理论中引入的隐变量—粒子的确定的位置和速度都是原则上不可测知的。人们永远无法知道粒子实际的运动轨迹,但对它们的测量将总是产生与量子力学相一致的结果。正像爱因斯坦预言的那样,量子纠缠是“鬼魅似的远距离作用”,“上帝不掷骰子。”玻尔却说,“亲爱的爱因斯坦不要指挥上帝做什么。”所以,就像时空膨胀理论提出的超光速一样,量子纠缠理论同样不能动摇爱因斯坦的宇宙光速限制理论。至少目前是这样。

根据量子的这种特性,目前比较快的运用前景是通讯技术和计算机的改进。量子纠缠技术是安全的传输信息的加密技术,与超光速传递信息无关。尽管知道这些粒子之间“交流”的速度很快,但我们却无法利用这种联系以如此快的速度控制和传递信息。事实上,人们运用更多的是量子鬼魅般的隐形传输特性,无法破解的保密性。因此爱因斯坦提出的规则,也即任何信息传递的速度都无法超过光速,仍然成立。


时空通讯

施郁

(复旦大学物理学系教授)

量子纠缠是指量子态的一种性质。它是量子力学叠加原理的后果。 而量子态,即“量子状态”,是量子力学的中心概念。

比如,光有个性质叫偏振,代表了电场振动方向,它总是位于与传播方向垂直的平面上。如果偏振方向沿着这个平面上的一个特定方向,这种光就是线偏振光,偏振方向沿着这个特定方向。 非偏振的自然光透过偏振片,可以产生偏振方向沿着透光轴的线偏振光。

如果让线偏振光垂直入射一个偏振片,它透过的强度是原来强度的x2,这个x是个不大于1的数,由光的原来的偏振方向与偏振片的透偏方向决定。

现在,假如让这束光越来越稀疏,最后可以使得组成这束光的光子一个一个打到偏振片上。 这些光子的偏振方向就是这束光的偏振方向。每个光子打到偏振片上时,它有可能能通过偏振片,也可能不能通过如果你统计一下,有多少光子通过,有多少没有通过,就会发现,通过的光子占打到偏振片的光子总数的比例是x2。

我们说,原来这些光子每个都处于一个偏振量子态,它是沿着偏振片透偏方向的量子态与垂直于偏振片透偏方向的量子态的叠加态。

而量子纠缠是两个或两个以上的量子子系统构成的整体的量子态性质。比如两个光子(有可能相距很远),它们共同处于这样两个态的叠加态,其中一个态中,每个光子的偏振都沿着某个方向,在另外一个态中,每个光子的偏振都垂直于某个方向。

但是量子纠缠不可以超光速传递信息。


物理文化与施郁世界线

科学界目前对量子纠缠的原理并不确定,只是发现了量子纠缠现象而已。如果量子纠缠的原理奥秘被揭开了,将会引起科学界很大的震动,也有可能会颠覆我们目前的世界观。

关于量子纠缠现象的描述,前面的大神们已经描述的很详尽了,在此就不再重复了。仅就题主的描述提出一点纠正:“量子经过配对组合后……”量子纠缠现象不是将量子配对组合后发生的现象,而是原本就属于同一系统的一对同类粒子,将之分开观察而已。

量子通讯的应用,让普通大众理解成了量子纠缠原理的直接应用。目前通讯领域应用到的量子力学的理论,仅只是通讯加密技术,利用的是量子的测不准原理,量子的叠加态复杂度远高于传统的密码编制而已。

并不能直接通过量子纠缠直接传递完整信息。

个人认为要真正揭开量子纠缠的原理,需要从源头上改变方向——基础哲学观上做出改变。将唯物主义与唯心主义统一做出融合(并非是向唯心主义靠拢),放开唯物主义的一些既有禁锢,将研究方向向意识、生物场能与环境之间的互相作用、物质与能量转换关系等关键问题着重力量。

非此即彼的对立哲学观,会禁锢和狭隘化科学精神,不利于科学突破现有瓶颈。


姝子

答:量子纠缠的本质原因,就是量子力学的不确定性原理。


要理解量子纠缠的瞬时性,首先要正确理解不确定性原理。

不确定原理是哥本哈根诠释的基本原理之一,明确要求量子不确定原理的内秉性,并指出一个粒子的位置和动量不可同时测得,两者的不确定性必须满足:

在上世纪,哥本哈根学派克服各种严峻的挑战,最终成为量子力学的正统诠释,现在,我们提到量子力学,基本就是默指的哥本哈根诠释。

但其他诠释并未自暴自弃,依然坚守着自己的最后防线,这里面就有爱因斯坦支持的隐变量诠释,为了论证哥本哈根诠释的不完备性,在1935年,爱因斯坦联合波多尔斯基和罗森,共同在《物理评论》(Physics Review)杂质上发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》的论文,既大名鼎鼎的-EPR悖论。

EPR内容简述:总自旋为零的粒子对A和B,使其自发分开足够远的距离,然后我们单独测量A的位置和B的动量,那么我们就可以利用物理定律反推B的位置和A的动量,从而A和B的位置和动量我们都可以精确确定,而哥本哈根诠释是不允许这样的情况出现的。

爱因斯坦在EPR悖论指出,因为A、B相聚足够远,我们对其中一个粒子某个物理量的测量,不会对另外一个粒子同样物理量造成影响,既所谓的定域性;除非有某种超距作用,否则EPR必定造成不确定原理的破缺,以此来论证哥本哈根诠释是不完备的。

当时哥本哈根诠释回答不了这个问题,过了几十年后,这个问题就成了量子纠缠,而且得到实验的证明,尤其是无漏洞的贝尔实验。

对量子纠缠的信息传递,需要说明的三点是:

1、量子纠缠本身并不能传递有效信息,关键词是“本身”。

2,量子纠缠是瞬时的,理论上不需要传播时间。

3,量子纠缠需要介质吗?这点不好说,至今还在争论不休。



艾伯史密斯

如果我能回答的了这个问题,那么我的名字将会出现在今年诺贝尔物理学奖的名单中。连爱因斯坦都没有给量子纠缠一个合理的解释,你觉得在头条上还会有比爱因斯坦更牛逼的人物吗?

爱因斯坦对量子纠缠的解释是,其实两个处于纠缠状态的粒子,其实就如同两只手套。当你把两只手套放到两个盒子里,一个盒子放到南极,一个放到北极。那么你在北极打开一个盒子后,你就知道南极的盒子里的手套是左手还右手。也就是说爱因斯坦认为,量子纠缠是两个已定的状态,并非会跟随一个粒子的改变而改变。

但事实却并非如此,因为有科学家已经证明了这点,也就是说爱因斯坦的观点是不正确的,量子纠缠是一个粒子跟随另外一个粒子改变的。假如纠缠的两个粒子,a粒子逆时针旋转,那么b粒子顺时针旋转,其中a位于月球,b位于火星,如果你让a改成顺时针,那么b会立马逆时针,是立马,也就是说瞬间。

他俩的关系,估计目前只有月老能解释吧。


春风下的杨柳

“量子纠缠”这个名字是1935年薛定谔起的,就是那个著名的养猫人。

在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子纠缠。

但在此前,著名的EPR佯谬就论述了此事。

而这背后则牵涉了,爱因斯坦与波尔关于量子力学的大论战。上帝不掷骰子就是这场论战的著名名言。


假若对于两个相互纠缠的粒子分别测量其物理性质,像位置、动量、自旋、偏振等,则会发现量子关联现象。

假设一个零自旋粒子衰变为两个以相反方向移动分离的粒子。沿着某特定方向,对于其中一个粒子测量自旋,假若得到结果为上旋,则另外一个粒子的自旋必定为下旋,假若得到结果为下旋,则另外一个粒子的自旋必定为上旋;更特别地是,假设沿着两个不同方向分别测量两个粒子的自旋,则会发现结果违反贝尔不等式;除此以外,还会出现貌似佯谬般的现象:当对其中一个粒子做测量,另外一个粒子似乎知道测量动作的发生与结果,尽管尚未发现任何传递信息的机制,尽管两个粒子相隔甚远。

这样的解释是在无法满足爱因斯坦,他认为这种行为违背了定域实在论,并称之为“鬼魅般的超距作用”,他认为量子力学的标准表述不具完备性,其背后必定还有更深层次的理论。为此在论战中,他设计了一个又一个的思想实验企图攻破哥本哈根学派的阵营。但结果都被一一化解,似乎只留下了薛定谔的猫。

量子纠缠是很热门的研究领域。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。不过如今物理学者仍旧不清楚量子纠缠的基础机制。



兔肉菌

这个问题,应该有通俗的解释,不必搞得神乎其神。我的解释如下。

其一,根据德布罗意波长公式:λ=h/mv,h是普朗克常数,m是粒子、天体的质量,v是其速度。例如:设核外电子速度v=2×10^6:其波长λe≈6.63×10^-34/(9.1×10^-31×2×10^6)=0.364×10^(-34+31-6)=3.64×10^-12m,而电子的康普顿波长:λc≈2.4×10^-12m。二者几乎相同。给出这个具体计算的动机,是要说明,任何物质,都有波粒二象性,都可以看成量子。

▲两个同频率的量子纠缠之示意图

其二,纠缠(entanglement),就是持续性相互作用、相互影响。相当于数学集合论的交集(∩)。不同波长量子之间,可能有极小的相互影响,但绝不会相互纠缠。例如:机械波与电磁波之间不可能相互纠缠。穿梭子弹与运动电子的两个波长,不可能相互纠缠。



▲两个同频音叉振子发出的声波的共振实验

相同波长的量子,由于共振效应,就一定会发生纠缠,其纠缠强度,随着距离增大而渐弱。例如从同一高频发生器发射的两个伽玛光电子之间,就有量子纠缠。


▲据说,德国士兵步伐太整齐,震踏了桥。

其三,量子纠缠的适用距离,大约是10²km数量级。墨子号卫星与地面之间的两个量子收发站,之间的量子通讯原理,大致如此。

▲墨子号利用量子纠缠通讯的有关资讯

▲墨子号卫星与地面之间的量子通讯图景


原道童子

我就说一个合理推测。

一个量子本身就是一个”全”,所谓全就是一个量子本身之外就在无其它东西了。那么另一个量子是另一个全,它之外也无任何其它东西了。原则上,两个量子之间没有任何关系,互相之间不知道对方的存在。可是,不知什么原因,它们之间形成了羁绊,这个羁绊是比原来多出来的状态,因为这个羁绊的存在,导致一个量子不是全了,是这两个量子和它们之间的正反羁绊一起组成了全。如果再有另一个全过来,即可以与原来的全形成羁绊也可以和形成的羁绊再形成羁绊或者干脆与四状态的全一起形成羁绊。总之通过形成羁绊,又产生了新全,它的状态就更多了。其实也有可能新的羁绊会破坏原来的羁绊,状态会变得更不相同。

因此,纠缠就是将本来独自发展的两个量子态放在同一个羁绊下考虑问题的唯一方法,是观测的真正含义。

如果说这个宇宙中所有量子同时退相干并且假设不再纠缠,那么这个宇宙中有多少个基本量子态(非纠缠产生)就会形成多少个单量子态的宇宙。如果再让它们再次自由纠缠,那么形成的新宇宙和原宇宙就没有任何关系了。注意即使位置与时间也是观测量,所以位置与时间实际也是纠缠的结果。新宇宙中粒子的位置与时间也会与原宇宙没有任何关系。

我再说些其它靠谱或不靠谱的推论。

量子纠缠会产生新的宏观可观测量。半导体中的空穴理论实际就是因量子纠缠而产生的全新量子态,而且还能被测到位置速度质量还能与光子反应等等俨然是个真的基本粒子。

任何宏观量都是量子纠缠的结果。一般的说法大家也不太会质疑。说说大家可能质疑的。一位置时间也是因量子纠缠形成。二,人类社会中叫得出名字的叫不出名字的,也是量子纠缠。比如说中国就是个超大的量子纠缠。

量子纠缠什么时候被打断被退相干,也是不可知的。换句话说是被观测时可能导致退相干,反之如果一个量子纠缠一直没有被观测,那么它就会一直纠缠下去。

比如一个人活着的时候是一大坨量子纠缠。死的时候这个纠缠就一下子消失了吗?说不定量子纠缠还在呢?还在发挥影响呢?我不是说灵魂一定存在哦。


考拉都能懂的物理


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