03.06 量子纠缠是怎么发现的?

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量子纠缠现象的发现是爱因斯坦为了说明量子力学理论的不完备性时举出的一个例子,文章发表在Physical Review上,说明如果量子力学理论成立,则可能存在这样一个所谓纠缠状态,即一个粒子态波函数的塌缩会导致与之处在纠缠态的另一个粒子态波函数塌缩,爱因斯坦等认为这是超距作用,和相对论理论矛盾,所以量子力学的描述是不完备的,这又叫做EPR佯谬。至于实验方面,纠缠态的制备和各种测量仍然是现在前沿研究的一个热点话题,比如塞林格制备光子纠缠态,验证量子通讯方案的工作,他的学生潘建伟则在纠缠更多的光子对。验证纠缠态不困难,比如你有两个处于纠缠态的粒子,只要测量一个粒子态使其波函数塌缩,另一个粒子应有确定的状态,只要在选定的正交空间内把这些状态测量做完备,那就知道最初两个粒子是否处于纠缠态。比如对于光子,可以测量偏振性质。纠缠态的制备一般利用各种级联过程


阿帆带你游宇宙


这个问题首先来说说什么是量子力学

量子力学简单来说就是微观世界的物理学

宏观世界的物理学和微观世界的物理学非常的不一样

比如说:

在现实世界里有一堵墙

你是肯定穿不过这堵墙的

但是在微观世界里面你就能穿过去

科学家们不断的证实 在微观世界里的确是这样的

比较典型的例子是:

我们印象当中的电子 应该是在原子核周围疯狂的转,它肯定有个速度的或者它有个所在的位置

但是他们发现这个电子会同时在好多地方出现

这是很奇怪的

科学家设置了一堵墙,这个电子肯定是穿不过去的,但是他们发一个电子上去 发现电子穿墙了

这个现象就叫量子穿遂

简单说就是量子自己挖个隧道自己穿过去了


还有个现象就是量子纠缠

科学家们找了两个电子,把这两个电子放在一起,让他们成为一对,然后再把它们分开

分隔 相隔很远很远的距离,最初做实验的时候相隔了100公里,然后用两个设备区检测这两个电子

他们发现一个非常不可思议的现象

就是这个实验室的电子动一下

另一个实验室的电子也动一下

不管相隔多远,他们都是同时运作的


最近中国做了一个实验就是这个量子纠缠

一个电子放在地面

一个电子放在宇宙空间站

相隔500公里

也证实了这个现象

所以科学家在想 肯定是一个电子往另外一个电子发了一个信号

告诉它我要动

它才会动嘛

但是问题是 是由原子钟测出来的 百分百同时的


这就颠覆了爱因斯坦的相对论了

相对论说光速是最快的

你传这个信号就是以光速传

它应该有个时差的

所以科学家到现在,他们两之间的机制完全不知道

但是他们两就能够连接起来

而且这个距离 据推测

跟距离没关系,它们能够永远保持一致


就是说在量子的世界里

时间是绝对的

速度不是绝对的

速度是无限大

所以这种种现象 就叫量子力学


52赫兹实验室


1935年,在普林斯頓高等研究院,愛因斯坦、博士後羅森、研究員波多爾斯基合作完成論文《物理實在的量子力學描述能否被認為是完備的?》,並且將這篇論文發表於5月份的《物理評論》[12]:303。這是最早探討量子力學理論對於強關聯系統所做的反直覺預測的一篇論文。在這篇論文裏,他們詳細表述EPR悖論,試圖藉著一個思想實驗來論述量子力學的不完備性質[2]。他們並沒有更進一步研究量子糾纏的特性。

薛丁格閱讀完畢EPR論文之後,有很多心得感想,他用德文寫了一封信給愛因斯坦,在這封信裏,他最先使用了術語Verschränkung(他自己將之翻譯為「糾纏」),這是為了要形容在EPR思想實驗裏,兩個暫時耦合的粒子,不再耦合之後彼此之間仍舊維持的關聯[12]:313。不久之後,薛丁格發表了一篇重要論文,對於「量子糾纏」這術語給予定義,並且研究探索相關概念。薛丁格體會到這概念的重要性,他表明,量子糾纏不只是量子力學的某個很有意思的性質,而是量子力學的特徵性質;量子糾纏在量子力學與古典思路之間做了一個完全切割[3]。如同愛因斯坦一樣,薛丁格對於量子糾纏的概念並不滿意,因為量子糾纏似乎違反在相對論中對於資訊傳遞所設定的速度極限[13]。後來,愛因斯坦更譏諷量子糾纏為鬼魅般的超距作用[14]。

EPR論文很顯然地引起了眾多物理學者的興趣,啟發他們探討量子力學的基礎理論。但是除了這方面以外,物理學者認為這論題與現代量子力學並沒有甚麼牽扯,在之後很長一段時間,物理學術界並沒有特別重視這論題,也沒有發現EPR論文可能有甚麼重大瑕疵[1]:38。EPR論文試圖建立定域性隱變量理論來替代量子力學理論。1964年,約翰·貝爾提出論文表明,對於EPR思想實驗,量子力學的預測明顯地不同於定域性隱變量理論。概略而言,假若測量兩個粒子分別沿著不同軸向的自旋,則量子力學得到的統計關聯性結果比定域性隱變量理論要強很多,貝爾不等式定性地給出這差別,做實驗應該可以偵測出這差別 [15]。因此,物理學者做了很多檢試貝爾不等式的實驗。

1972年,約翰·克勞澤與史達特·弗利曼(Stuart Freedman)首先完成這種檢試實驗[16]。1982年,阿蘭·阿斯佩的博士論文是以這種檢試實驗為題目[17]。他們得到的實驗結果符合量子力學的預測,不符合定域性隱變量理論的預測,因此證實定域性隱變量理論不成立。但是,至今為止,每一個相關實驗都存在有漏洞,這造成了實驗的正確性遭到質疑,在作總結之前,還需要完成更多精確的實驗[18]。

這些年來,眾多的卓越研究結果促成了應用這些超強關聯來傳遞資訊的可能性,從而導致了量子密碼學的成功發展,最著名的有查爾斯·貝內特(Charles Bennett)與吉勒·布拉薩(Gilles Brassard)發明的BB84協議、阿圖爾·艾克特(Artur Eckert)發明的E91協議。

2017年6月16日,量子科學實驗衛星墨子號首先成功實現,兩個量子糾纏光子被分發到相距超過1200公里的距離後,仍可繼續保持其量子糾纏的狀態。[19]

2018年4月25日,芬蘭阿爾托大學教授麥卡﹒習嵐帕(Mika Sillanpää)領導的實驗團隊成功地量子糾纏了兩個獨自震動的鼓膜。每個鼓膜的寬度只有15微米,約為頭髮的寬度,是由1015個金屬鋁原子製成。通過超導微波電路,在接近絕對零度(-273°C)下,兩個鼓膜持續進行了約30分鐘的互動。這實驗演示出巨觀的量子糾纏。[20]



沙迦笔记


量子纠缠现象的发现要追逆到1935年,爱因斯坦与波多尔斯基和罗森合作,发表了一篇文章,标题是“量子力学对实在的描述是完备的吗?”在量子力学中,因为有些可观测量(比如位置与动量)不能同时有确定的值,所以爱因斯坦指出它们不是同时有客观实在性。

所谓某个客体的客观实在性,爱因斯坦他们认为可以定义为可以在不干扰该客体的情况下,能够明确地预言它的值。如果每一个有客观实在性的物理量在理论上有一个对应,爱因斯坦他们认为,这样的理论才是完备的。爱因斯坦借助于一个量子纠缠态(当时,他们还没有这个名词)作了一系列论证。这个量子纠缠态的性质是这样各种可能状态的叠加态。

在每个这些状态中,两个粒子的位置是确定的,但是在整个叠加态中,只有两个粒子之间的距离是确定的。所以,通过确定某一个粒子的位置,整个系统的状态就变为若干状态的叠加态中的其中一个状态,从而就可以在不干扰另一个粒子的前提下确定它的位置。另一个方面这个纠缠态也可以是这样各种可能状态的叠加态。

在每个这些状态中,两个粒子的动量是确定的。所以,通过确定某一个粒子的动量,从而就可以在不干扰另一个粒子的前提下确定它的位置。所以爱因斯坦、波多尔斯基和罗森认为,既然第二个粒子的位置和动量都能在不被干扰的情况下被确定,那动量和位置就都具有客观实在性,这与量子力学对这两个量的说法不一致。

在这篇文章发表后,薛定谔也发表了一篇文章,正式提出量子纠缠的概念。

至于量子纠缠的速度至少是光速的10000倍,实在无法理解是什么意思,量子纠缠只是一个微观世界的物理现象,不知道您所说的量子纠缠的速度是什么意思。


Wineke


1935年,在普林斯顿高等研究院,爱因斯坦、博士后罗森、研究员波多尔斯基合作完成论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的?》,并且将这篇论文发表于5月份的《物理评论》。这是最早探讨量子力学理论对于强关联系统所做的反直觉预测的一篇论文。在这篇论文里,他们详细表述EPR佯谬,试图借着一个思想实验来论述量子力学的不完备性质。他们并没有更进一步研究量子纠缠的特性。

薛定谔阅读完毕EPR论文之后,有很多心得感想,他用德文写了一封信给爱因斯坦,在这封信里,他最先使用了术语Verschränkung(他自己将之翻译为“纠缠”),这是为了要形容在EPR思想实验里,两个暂时耦合的粒子,不再耦合之后彼此之间仍旧维持的关联。不久之后,薛定谔发表了一篇重要论文,对于“量子纠缠”这术语给予定义,并且研究探索相关概念。薛定谔体会到这概念的重要性,他表明,量子纠缠不只是量子力学的某个很有意思的性质,而是量子力学的特征性质;量子纠缠在量子力学与经典思路之间做了一个完全切割。如同爱因斯坦一样,薛定谔对于量子纠缠的概念并不满意,因为量子纠缠似乎违反在相对论中对于信息传递所设定的速度极限。后来,爱因斯坦更讥讽量子纠缠为鬼魅般的超距作用。


钟书医生


1935年,爱因斯坦与波多尔斯基和罗森合作,发表了一篇文章,标题是“量子力学对实在的描述是完备的吗?”在量子力学中,因为有些可观测量(比如位置与动量)不能同时有确定的值,所以爱因斯坦指出它们不是同时有客观实在性。

所谓某个客体的客观实在性,爱因斯坦他们认为可以定义为可以在不干扰该客体的情况下,能够明确地预言它的值。如果每一个有客观实在性的物理量在理论上有一个对应,爱因斯坦他们认为,这样的理论才是完备的。爱因斯坦借助于一个量子纠缠态(当然,他们还没有这个名词)作了一系列论证。这个量子纠缠态的性质是这样各种可能状态的叠加态。

在每个这些状态中,两个粒子的位置是确定的,但是在整个叠加态中,只有两个粒子之间的距离是确定的。所以,通过确定某一个粒子的位置,整个系统的状态就变为若干状态的叠加态中的其中一个状态,从而就可以在不干扰另一个粒子的前提下确定它的位置。另一个方面这个纠缠态也可以是这样各种可能状态的叠加态。

在每个这些状态中,两个粒子的动量是确定的。所以,通过确定某一个粒子的动量,从而就可以在不干扰另一个粒子的前提下确定它的位置。所以爱因斯坦、波多尔斯基和罗森认为,既然第二个粒子的位置和动量都能在不被干扰的情况下被确定,那动量和位置就都具有客观实在性,这与量子力学对这两个量的说法不一致。

在这篇文章发表后,薛定谔也发表了一篇文章,正式提出量子纠缠的概念。


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