相信好多人都據說過量子糾纏,可謂量子世界最奇特的現象,甚至沒有之一,也是這個世界上最奇妙的事情。事實上量子糾纏也很美,但是,越了解量子糾纏,都會發覺它越美。
這么,哪些是量子糾纏呢?
數學學是這樣定義的:當多個粒子發生作用然后,單個粒子擁有的特點會綜合成為整體屬性,于是就難以描述單個粒子的性質,只能描述整體性質。
量子糾纏現象只會發生在量子世界里,在宏觀世界是沒有這些現象的。
假如我們檢測糾纏中粒子的個別化學屬性,例如說動量,位置,載流子等,其他粒子都會出現關聯現象。
舉個事例,我們假定一個零載流子的粒子,衰變為兩個粒子,這兩個粒子以相反方向聯通分離。假如我們檢測其中一個粒子,發覺載流子方向為上旋,這么另一個粒子的載流子方向必將是下旋。反之亦然。
還有一點,就會出現看似矛盾的現象:當我們檢測其中一個粒午時,另一個粒子似乎早就曉得了我們要檢測,但是曉得檢測結果,頓時作出相應的改變來呼應檢測的粒子。科學家并沒有發覺任何信息傳遞的機制,但是不管兩個粒子相距多遠,哪怕數光年之外,也能頓時感應到對方。
怎樣理解量子糾纏這些看似不合理的現象呢?首先我們須要明白幾點。
第一,量子糾纏只會發生在量子世界,在我們的宏觀世界里是不會出現的。至少目前科學家們并沒有在宏觀世界里發覺量子糾纏現象。
第二,量子糾纏必須發生在兩個或兩個以上的量子系統里,系統就代表著整體量子通訊技術,也就是說,我們只要提到量子糾纏,一定是一個整體。
第三,就是好多人關心的距離問題。理論上量子糾纏的距離不受限制量子通訊技術,也就是說可以很遠很遠。但實際上很難做到這點,由于糾纏中的粒子遭到任何方式的擾動,就會讓糾纏態消失,而擾動本身就相當于觀察。而宇宙中飽含了各類物質和能量,它們都可能會“觀測”糾纏中的粒子。
科學家們以前做過好多量子糾纏的實驗。譬如說,我國知名科學家潘建偉,早在2005年就率領團隊做過量子糾纏實驗,實驗地點是安徽,在相距13公里的自由空間里驗證了量子糾纏的可行性。
2007年,復旦學院和中國科學技術學院聯合進行了自由空間量子信道實驗,寬度達到了16公里。而五年后的2009年,總算實現了世界最遠距離的量子隱形態傳輸。同時也驗證了這些隱形態傳輸可以穿越大氣層,這個發覺為未來的全球化量子通訊網奠定了堅實的基礎。
研究成果發表在知名刊物《自然》上,造成了很大關注。
不過,從實驗結果來看,量子隱形態傳輸的距離要求是很高的,現實中很難實現遠距離傳輸,從實驗的距離13公里和16公里才能看下來?,F實中要讓兩個相距數光年遠的粒子發生糾纏,幾乎不可能。
只有排除所有的干擾,能夠讓相距很遠的粒子發生糾纏,否則任何干擾就會讓量子糾纏太解除,而現實中我們根本沒法排除所有的干擾。
所以,量子糾纏發生的系統雖然會遭到很大限制,不是隨意才能出現量子糾纏。例如說,你我二人分別拿一個手探照燈,打開手探照燈然后,光子之前就互相糾纏了,這些看法太簡單了,是不可能的。
不過,隨著人類科學的發展,科學家早已能讓距離更遠的粒子依然保持糾纏狀態。例如說,在2017年,我國的墨子號量子實驗衛星首次做到了這一點:把糾纏中的光子分發到相距1200公里以后,仍能保持量子糾纏的狀態。
見到這兒,你可能有好多疑惑:相距1200公里也能保持量子糾纏狀態,是不是表明光子超光速了,莫非相對論錯了嗎?該怎么理解量子糾纏中的“超光速”現象呢?
還有,基于量子糾纏而創建的量子密碼學為何會這么安全,究竟是怎樣運作的呢?
首先,量子糾纏看上去似乎是超光速了,但顯然并不是真正意義上的超光速,并沒有違背相對論,由于量子糾纏過程中并沒有傳遞任何信息。
可以如此淺顯理解量子糾纏:糾纏中的粒子表現下來的是整體性質,也就是說它們是在一個波函數下的狀態,而理論上波函數可以覆蓋任何地方,甚至是全宇宙,這么一來就和距離沒有關系了。
用一種宏觀現象去理解量子糾纏的狀態,就是“蹺蹺板”。例如說,你和我一起玩蹺蹺板,當我們二人坐在蹺蹺板上時,就有了“糾纏”的關聯狀態。你向上,我必然都會向下,反之亦然。
你我之間的作用是超距或則說是超光速完成的嗎?并不是,由于你和我早已屬于一個整體,與我們之間的距離無關。
還有一個很關鍵的問題:量子糾纏的本質究竟是哪些,也就是說,量子之間為何會發生糾纏?
開頭也說了,量子糾纏描述的是一個系統的整體屬性,整體系統是由幾個糾纏中的子系統組成的,整體系統具有個別化學性質,而子系統并不能擅自擁有這些化學性質,只能描述整體系統的性質。
也就是說,整體性質具有“不可分性”。這些不可分性與空間無關,于是我們能夠將幾個子系統分開,相距很遠也能彰顯出糾纏的特點。
這如同剛剛所說的“蹺蹺板”,蹺蹺板就是一個整體系統,我們只能描述蹺蹺板的整體系統,蹺蹺板上的你和我不管相距多遠,都有關聯性,你和我都不能擁有自己獨立的化學屬性。
這么,量子糾纏的系統究竟是哪些呢?應當是一種場,確切來講,是電磁場,這也是量子糾纏的機制。
宇宙中飽含了各類場,例如說電磁場,而場的運動就可以產生波,例如說,光是一種電磁波,也可以覺得是運動的電磁場,遭到擾動的電磁場。
而理論上,場的幅射范圍是無限遠的,這也表明糾纏中的粒子雖然距離無限遠,也會表現出糾纏態。但現實中很難做到這一點,由于場的硬度與距離息息相關嗎,距離越遠場的硬度越弱。
加上量子糾纏機制本身就很敏感,隨著場硬度的變弱,糾纏中的粒子就更容易遭到干擾,因而讓糾纏態解除。
其實,還是那句話,糾纏中的粒子是用一個波函數描述的,糾纏中的兩個或多個粒子是一個整體,我們檢測糾纏中的粒寅時,它們不能同時處于同一種狀態,所以會出現諸如說一個載流子向下,一個載流子向上的情況。