【两篇材料】量子纠缠的原理是什么？为什么能超光速1万倍？爱因斯坦无法理解

量子纠缠的原理是什么？为什么能超光速1万倍？爱因斯坦无法理解

原创 科学熟悉论 2022-08-29 17:59 颁发于陕西

量子纠缠到底是什么？为什么能超光速至少1万倍？那篇文章会详尽地为小伴侣们讲清楚此中涉及的常识点。

从量子理论的根底现象，到量子纠缠的原理，再到量子纠缠的验证，最初再到量子纠缠的物理水平。

文章比力长，期看你能耐烦看完，那会搀扶扶助你成立起对量子纠缠的全面熟悉。

要彻底搞清楚量子纠缠，仍是得先从量子力学的根底觅觅谜底。

领略过量子力学的人必定都听过波粒二象性和叠加态那两个词。

波粒二象性就是说，比原子还小的那些粒子，同时具有两种形态，那些粒子不只像粒子，也像波。

粒子的颠簸性和粒子性会叠加在一路，也就是叠加态。

但是叠加态不但单指的是波粒二象性，还有自旋，偏振，位置，动量等其他物理性量的叠加态。

所以一句话，你只要意外量那个粒子，人家就不断处于各类叠加态中。

假设听懂那些，那量子纠缠就很随便理解。如今我们晓得：每个零丁的粒子都具有叠加态。

那你再想，假设两个粒子通过某种体例组合在一路，那那两个粒子的叠加态 是相互独立的，仍是彼此缠绕的？

谜底是彼此缠绕的。

那假设一个零丁的粒子衰酿成两个更小的粒子，那那时候那两个粒子的叠加态是相互独立的，仍是彼此缠绕的？

谜底照旧是彼此缠绕的。

两个粒子假设一起头具有某种配合的关系，那么即使两个粒子分隔，其叠加态也是缠绕在一路的。而量子纠缠恰是那种叠加态彼此缠绕的表现。

好比，一个具有0自旋的粒子突然衰变了，酿成了两个粒子，那么那两个粒子因为都是由统一个粒子衰变而来的，所以在初始形态就成立起联络了。

将来，不管那两个粒子间隔有多远，那种联络会不断存在，详尽表达就是叠加态的彼此缠绕。那时候，那两个粒子就是相互的纠缠粒子。

纠缠粒子之间的叠加态会超越空间和时间停止彼此感化。

如今重视我适才说的那句话，叠加态会超越空间和时间停止彼此感化。

超越空间很好理解，就是把两个纠缠粒子分隔，超越时间指的是两个粒子的彼此感化是同时的，理论上，以至没有速度的概念。

那里面的彼此感化指的是对一个纠缠粒子停止丈量，好比自旋，就会同时决定另一个纠缠粒子的自旋成果。

没丈量之前，那两个纠缠粒子的自旋处于叠加态，每个粒子便是上旋也同时是下旋。

丈量行为就会招致两个粒子的自旋变得确定，假设一个纠缠粒子的自旋为上，那另一个一定为下，反之亦然。丈量行为招致的叠加态消逝就是丈量坍塌效应。

如今良多人都晓得量子纠缠是超光速的，其实那种说法其实不严谨。

在理论上，量子纠缠就不存在速度的概念。因为纠缠粒子之间的彼此感化是同时发作的，假设说存在速度的话，那是不是意味着纠缠粒子的彼此感化存在时间差呢？

所以在提到量子纠缠的时候，尽量不要用“霎时”“立马”如许的词语描述，更好用“同时”那个词。

理论回理论，但是尝试还得做，你不做尝试，怎么晓得纠缠粒子的感化就是同时的呢？

但是回头一想，貌似如许的尝试压根就无法做。

假设，你把两个纠缠粒子放到太空中，间隔30万公里，时间精度是0.1秒，操做了一通，成果确实发现量子纠缠是同时的。

但是有人还会说，时间精度不敷，那只能阐明量子纠缠的速度不低于10倍光速。

然后，你又将时间精度进取到0.01秒，即使尝试照旧成立，但还会有人说精度不敷，那只能表白量子纠缠不低于100倍光速。

2013年，由中国科学家 潘建伟 带领的团队就测试过量子纠缠的速度下限。

在那篇名为《限造“远处的鬼魂动作”的速度》的论文摘要中提到。

爱因斯坦等人将量子纠缠中的非局域联系关系称为“远处的鬼魂动作”，假设确实存在那一可怕的行为，那它的速度是几呢？

在那里，我们通过看察 继续12个小时违犯贝尔不等式的尝试得出结论：“鬼魂动作”的速度下限是光速的四个数量级。

那个尝试意味着：最少在验证上，量子纠缠至少是光速的一万倍。但要清楚，因为尝试精度的限造，目前只能确定量子纠缠的“速度”不会低于光速的一万倍。

在将来，假设前提许可，还会做量子纠缠超光速一亿倍，一兆倍的尝试。

但如许的丈量有意义吗？

其实并没有多大意义，我估量在将来，要证实一台超等计算机的算力，除了丈量圆周率的位数外，还会新增量子纠缠超光速几倍的目的。

接着下一个问题，如今既然已经确定量子纠缠是超光速的，那那种超光速到底是若何实现的？

在目前的物理框架中，两个物体要停止彼此感化，一定需要借助一种中介物量（介量）。

在原则模子中，我们已经晓得：光子，胶子等玻色子和各类场能够充任物量彼此感化的介量。

但是那些介量的速度上限是光速。

所以关于超光速的量子纠缠来说，是没有任何玻色子和场可以充任纠缠粒子之间的介量的。

于是就显现了另一种阐明，那种阐明即是逻辑揣度。

那里有两个典范案例，一个是寡妇模子，一种是手套模子。

我们先说说寡妇模子。铁蛋和翠花本是一对情侣，颠末了长达10年的恋爱长跑，末于成婚了。在成婚的那一刻，铁蛋和翠花就有了夫妻之实。那种关系就相当两个纠缠粒子享有配合的叠加态。

突然有一天，做为丈夫的铁蛋因为车祸挂了。所以在事实上，不管翠花情愿不情愿，铁蛋挂的同时，也是她酿成寡妇的同时。

那就相当于对一个纠缠粒子的丈量，会同时影响另一个纠缠粒子。

还有一种阐明就是，手套模子，将一双手套，随机放进两个盒子，只要当翻开此中一个盒子的同时，也就会同时晓得另一个盒子里拆的是什么手套。

那两种案例就是典型的逻辑揣度，那种阐明也能让良多人愉快地承担量子纠缠。

可问题就在于，人家事实并非如许的。

假设量子纠缠是逻辑揣度的话，一旦丈量，那成果就是确定的，不会再改动。

而事实上却是，假设翻开盒子发现是左手套，盖上盒子后，再翻开，就又可能酿成右手套了。

量子纠缠就是如许，屡次丈量纠缠粒子，其成果其实不不异。

那就希罕了，为了阐明那个问题，爱因斯坦也是绞尽脑汁，因为在爱因斯坦看来，任何两个粒子之间要停止彼此感化，一定要依靠介量，但任何介量的速度都无法超光速。

也就说，任何远远区域发作的事务都不克不及以超光速的形式 影响另一区域的事务。就是闻名区域其实论。

爱因斯坦天然是区域其实论的保护者。

在他看来，纠缠粒子之所以看起来能够违犯区域其实论，是因为纠缠粒子之间存在一种人类还没有发现的感化机造。

爱因斯坦将那种未知的感化机造喊做隐形的变量，也就是隐变量。

并指出，因为量子力学还没有发现那种隐变量，所以量子力学其实不成熟，还有良多亟待完美的处所。那就引申出量子力学能否具有齐备性的争论。

所以，那时候，问题的一切都集中在那个隐变量上了。

其其实上个世纪三十四年代，大部门物理学家都撑持爱因斯坦的隐变量学说，包罗量子之父的普朗克和喜好玩猫的薛定谔。

因为在其时的守旧派看来，哥本哈根学派用概率描述粒子也就罢了，事实找不到更好的理论描述粒子的行为，那暂时只是不得已的 *** 。各人即使有矛盾，还最少能够坐下来好好筹议。

而量子纠缠那种违犯区域其实论的超光速行为，几乎不克不及忍，那间接和相对论干起来了，连桌子都给掀了，各人就没有筹议的余地。

守旧派历来没有承担过如斯扯淡的理论，不管从科学常识仍是心里绪感来说，都无法承担量子纠缠那种诡异的彼此感化。

1935年，爱因斯坦结合 波多尔斯基 和 罗森配合颁发了名为《能认为量子力学对物理其实的描述是完全的吗》。因为那篇论文的三个做者名字的首字母别离是E，P，R。所以那一论文也称为EPR佯谬。

如今问题是提出来了，但是处理问题的人迟迟还没有显现。

曲到29年后的1964年，爱尔兰物理学家约翰·贝尔 才提出了 贝尔不等式，给出了验证EPR佯谬的可行性尝试

那个尝试次要是通过非平均磁场角度的改动，丈量纠缠粒子的自旋形态的概率散布。

假设存在隐变量，那么丈量纠缠粒子得到的概率就和磁场角度呈线性关系，贝尔不等式立，爱因斯坦是对的。

假设纠缠粒子的概率和磁场角度呈非线性关系，则贝尔不等式不成立，隐变量不存在，则量子力学是齐备的。

科学家在半个世纪内，做了大量的贝尔尝试，尝试的成果全都指向，贝尔不等式不成立，爱因斯坦是错的。量子纠缠之间不存在所谓的隐变量。

但是那些尝试还存在着不小的争议，次要的争议是 用于尝试的纠缠粒子间隔太近，操做尝试过程不随机。

为领略决那些问题，后来还有10万人参与的大贝尔尝试。事实上，物理学家对大贝尔尝试的成果一点都不料外。

那个尝试更多的意义是面向群众的一次科普活动。在座的良多小伴侣也许恰是通过大贝尔尝试才起头领略量子力学的。

讲到那里，良多小伴侣们已经抑制不住心里的躁动了，脑海中已经降生了伟大的设法。

我固然不晓得你在想什么，但是谜底就是：不克不及！

起首，量子纠缠那种超光速现象其实不存在传布子（介量）。没有传布子就证实：在量子纠缠的超光速感化中，并没有其实的物量发作了超光速运动，也就无法承载信息和能量，所以其实不违犯相对论。

你可能还会想，即使没有传布子，量子纠缠照样能够传递信息。

你的设法是不是如许的：先将二进造的0和1别离对应成粒子的上旋和下旋。

通过对粒子不竭的丈量，就会构成大量的上旋和下旋成果，通过解读自旋成果就能对应成0和1，如许就能够传递信息了。

那种设法当然很好，但问题是，丈量纠缠粒子招致的 自旋叠加态坍塌 是完全随机的，你底子无法依据预订的设法把握自旋态坍塌的成果。所以无法刻录有效的信息。

那时候可能有人会说，不妨的，不消把握自旋的形态也能传递信息。

我们只需将自旋叠加态能否坍塌看成0或1就行。

假设，自旋叠加态坍塌的那一行为是1，没有坍塌是0。

那么就能够设定，在一秒内，假设粒子的自旋态坍塌了，就证实远远的阿谁纠缠粒子已经被丈量了，那么那就表达1。假设一秒内没有坍塌，那就证实没有被丈量，那就代表0。

那种设法当然美好，但你又是怎么晓得粒子能否坍塌了？

你想要晓得纠缠粒子自旋态能否坍塌就得看察。

那自旋态坍塌的成果到底是因为是你的看察而坍塌，仍是因为远远的纠缠粒子被丈量而坍塌的。所以那种体例也是被堵死的

其实，我们理解量子纠缠必然不克不及套用典范的物理概念。

因为量子世界的一切都是模糊的，没有确定的行为。那并非因为电子显微镜的辨认率不敷高，而是因为量子世界的水平就是叠加态，模糊，不确定的。

所以只能用概率描述模糊。

量子纠缠也是一种模糊的叠加形态，那种叠加形态不会因为间隔的远近而变得忽强忽弱，因为在量子力学看来，具有不异叠加态的纠缠粒子其实是统一个粒子，具有量子不成别离性。

我们之所以难以理解量子纠缠，就是搞错了整体的概念。

我们能够不假根究地认为一个原子就是一个整体。

但是当你把原子放大看，里面几乎都是空的，都是裂缝，那那时候原子还能被视为整体吗？

因为那种裂缝相关于人类来说太小了，所以我们难以察觉。

但是关于两个纠缠粒子来说，人家原来就是一个具有不成别离的整体。

空间裂缝可大可小，假设纠缠粒子之间的间隔是0.001纳米，那么它们之间的裂缝就能够漠视，我们就能够问心无愧地认为纠缠粒子之间的感化再一般不外了。

但是当那种裂缝大到一光年，我们就无法理解纠缠粒子的彼此感化行为了。那时候我们就会忘记，其实那两个纠缠粒子原来就是统一个粒子罢了，只不外裂缝有点大。

那一点确实很反常识，在理论框架中，只要根本粒子才气被视为不成别离的整体，既然不成别离，怎么可能存在裂缝。

所以就有物理学家认为纠缠粒子只是统一个粒子在高维空间的表现。

那种理论的通俗阐明是：假设我们生活在二维空间的一个平面上，在那个平面上有个粒子，假设那个二维平面在三维空间上卷起来了，那么那个粒子在二维空间看来，就存在一个分身，本体和分身之间即使相距非常远远也会同时彼此感化，那几乎就无法理解。

但在三维空间看来，那原来就是统一个粒子，其实不足为奇。高维空间或许也是阐明量子纠缠的一种可靠理论。

（来源：）

【相关介绍】：

视频：量子纠缠至少超光速10000倍！爱因斯坦为什么无法理解量子纠缠？