怎样理解量子纠缠?

怎样理解量子纠缠?

在物理学中,量子是一个不可分割的基本个体,它们可以是能量或者物质的形式,量子是其物理属性的最小可能的离散单位。

而量子力学又是什么呢?量子力学是研究原子和亚原子尺度上的物质和光的行为的科学。

对绝大多数人来说,量子力学非常奇怪:比如微观粒子的波粒二象性,它们有时看起来像小的紧凑粒子,有时又像散开的波,有时既是粒子也是波;比如不确定性,粒子的位置与动量不可同时被确定。位置的不确定性越小,那么动量的不确定性越大,反之也是如此;比如量子纠缠,当对一对纠缠粒子中的一个粒子做测量时,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,尽管两个粒子相隔很远。连爱因斯坦这样的天才当年也无法解释纠缠,而将这种现象描述为“鬼魅般的超距作用”。

怎样理解量子纠缠?

如何理解量子纠缠?让我们想象这些粒子是电子,它具有称为自旋的量子特性,使它们像小磁铁一样发挥作用。 如果测量电子的自旋,总会发现它只指向一个方向或相反的方向:例如向上或向下。 现在,想象将两个电子纠缠在一起,使它们的自旋始终指向相反的方向。如果电子 1 自旋向上,则电子 2 必须自旋向下,反之亦然。 它们就像一副手套,如果一个是右手手套,另一个必须是左手的手套。

假设我们以这种方式纠缠两个电子,并以相反的方向发射它们。在我们进行测量之前,我们不知道哪一对是上升的,哪一个是下降的。如果我们发现电子 1 自旋向上,我们会立即知道电子 2 的自旋一定是向下的。

把一副手套中的其中一只放在一个包裹里寄给A,另一只寄给B。 当A打开包裹并找到右手手套的那一刻,A就马上知道B一定是收到的一只左手手套。

再来看双缝实验。 这个实验证明,在测量之前,粒子确实像波一样散开的,可以在许多位置存在。 但是在测量之后,粒子变得清晰和局部化。这种现象对于单个粒子来说已经足够奇怪了,但是对于纠缠的粒子,它更加奇怪,因为对其中一个粒子的测量似乎不仅决定了那个粒子的结果,而且决定了它们两个的结果。 当我们只测量电子 1 时,测量结果不仅迫使宇宙在该粒子的自旋向上和自旋向下之间做出选择,它还迫使电子 2 做出相反的选择,因为它们的相关性。

怎样理解量子纠缠?

在量子力学中,物体由波函数描述。这个波函数可以在空间中展开, 这就是为什么粒子可以像波一样起作用。然而,如果我们让两个粒子纠缠在一起,它们就会被一个单一的波函数描述。 而且由于两个纠缠的物体被同一个波函数描述,所以它们在数学上是同一个物体。

这就是纠缠的真正含义,这就是为什么粒子的属性是相互依赖的。 如果你对其中一个粒子做一些事情,比如测量它,你会改变波函数,所以你也会改变另一个粒子,因为它

也由相同的波函数描述。

下一个问题是:两个最初分离的粒子如何通过相互作用,以某种方式将它们的两个波函数合二为一?在粒子相互作用之前,我们可以将两个粒子的整个系统的波函数分成描述粒子1的部分和描述粒子 2的部分。但是,在它们相互作用之后,这不再是真的了。我们不能指出总波函数的任何部分,说那一位是粒子 1,另一位是粒子 2。这种混合几乎发生在它们之间的任何类型的相互作用中。

因此,一旦两个粒子纠缠在一起,如果不考虑整个波函数,我们就无法谈论其中一个,这就好像它们的属性现在分布在两者上。这就是为什么纠缠粒子相距多远其实并不重要的原因:它们仍然被它们的联合波函数交织在一起。

这才是我们匪夷所思的地方:我们习惯于物体的固定属性。 比如,一件蓝色T恤,蓝色就在T 恤上,它固定在上面。如果有另外一个蓝色的咖啡杯,那么蓝色就是咖啡杯的蓝色,而不是T恤上的蓝色。 但是,对于纠缠的量子物体,它们的属性可以是非局部的。属性能够在两个物体之间传播。T恤上的一些蓝色可能存在于咖啡杯上,反之亦然。

量子纠缠现象说明,量子世界是非局域性的。一个地方的事情不仅仅取决于那个地方附近发生的事情,而且不同区域和粒子之间似乎存在即时连接,无论它们相距多远。并且,不能认为这两个地方是不同的,在量子力学中,它们是一个单一的东西。

从这个意义上说,量子力学似乎使我们正常的空间感变得毫无意义。一些科学家认为,量子纠缠比空间本身更基本。我们对空间的概念实际上是从量子纠缠中产生的,这些量子纠缠在一个巨大的交互网络当中连接物体。

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