【量子纠缠现象】通俗易懂说“纠缠”——量子力学中的量子纠缠现象

2019-11-25 - 量子纠缠

“量子纠缠”是微观粒子的粒本特性,不被很多人理解,这很正常。但量子纠缠这个很难用“简单、通俗、易懂”的语言说清楚的事,却是很吸引眼球的科普问题,反复出现在一些科普问答上。我也曾多作答。为防止“搬运”自已以前的回答(也决不“照搬”别人的回答),再次将以前自已的解答进行修改、取舍、整理以飨读者,欢迎理性评论、讨论。

【量子纠缠现象】通俗易懂说“纠缠”——量子力学中的量子纠缠现象
【量子纠缠现象】通俗易懂说“纠缠”——量子力学中的量子纠缠现象

理性讨论的言辞再尖锐,本人都不回避。(一些非理性的乱骂乱喷者等于在骂你自已,对“专业喷子”过分的人身攻击者保留举报权利)。

量子纠缠是微观粒子的一种物理特性,在量子物理学中达较抽象。为此我特别地把“微观量子”变成“宏观物体”来尝试科普一下“量子纠缠”,但愿能让你明白个“一知半解”。

【量子纠缠现象】通俗易懂说“纠缠”——量子力学中的量子纠缠现象
【量子纠缠现象】通俗易懂说“纠缠”——量子力学中的量子纠缠现象

1.量子纠缠是微观粒子特有状态。什么是“纠缠”呢?举个例子,母女是一家人,母亲在北京,女儿在上海。女儿生了儿子,北京的母亲不管知不知道,马上变为了祖母,北京的“母亲”变为“祖母”是与上海的女儿变为“母亲”是同时的,并不需要时间来传递这一信息。这就是“纠缠”。条件是必须是“一家人”。

【量子纠缠现象】通俗易懂说“纠缠”——量子力学中的量子纠缠现象
【量子纠缠现象】通俗易懂说“纠缠”——量子力学中的量子纠缠现象

2.系统和状态。量子纠缠中发生纠缠的两个粒子也必须是“一家人”,物理学中说成是“同一个系统”。不过两个粒子不是母女关系,我们识别这两个粒子的物理特征是“状态”。什么是状态呢?还是以两个人为例。甲乙二人,甲头朝上,乙也头朝上,这叫系统中的甲乙二人具有同一(相同)状态。甲头朝上,乙头朝下,(或甲头朝下,乙头朝上)叫做系统中甲乙二人具有相反状态。

3.微观粒子充斥我们周围空间,但是两两粒子间并不发生纠缠,这是因为它们不处于“同一系统中”。因为“处于同一系统中”是量子纠缠的前提条件。

4.怎么样才能获得“同一系统中”两个粒子呢?可以想办法将一个粒子一分为二。由于分开后的二个粒子来自于同一粒子,这二个粒子就是同处于一个系统的互相纠缠的粒子了。

5.量子分发。如从“墨子号”上把处于同一个系统中的两个粒子一个发往北京,一个发`住上海,叫量子分发。

6..量子状态操纵。如果对北京的量子状态进行改变(比如把头朝上的人变为头朝下),上海的那个量子也同时发生相应的改变。这种“改变量子状态的操作”叫量子操纵。系统中两个粒子同时改变状态,这就是我们说的量子纠缠状态。

8.量子密钥保密原理。能收到量子密码的接收机的量子信号一定是与发送量子密码的发送机的量子是“同一系统中”的量子,所以其它接收机是不可能接收到这一编码的。当有人试图去接收量子密码,则根椐量子纠缠的原理,这一密码系统马上就“坍缩”了,所以“破译”量子密码也无从谈起。也不存在用自已的“矛”去破自已的“盾”的说法。

9.在常规的电子通讯信号前加上量子密码,就可实现量子保密通讯了。

10.量子叠加态。量子叠加也会产生纠缠,这是由量子力学中的一个有趣的“薛定鄂猫”的实验思想给出的量子力学中的一种量子纠缠态。

11.量子叠加态不光有“人头朝上和头朝下”那么两种。好比这个人是跳街舞的,可以上下翻倒立,可以前后翻滚,可以脚手振动,可以就地打圈,可以平动滑动,可以腾空翻飞,可以側身转动……这些动作集于人(量子)一身就叫叠加,如果有两个(或多个)量子是同一系统的,他们都会跳出这迷人的舞蹈,这就是量子纠缠。在量子力学中,微观的叠加形式被数学化、公式化。这些叠加模型都可以在希尔伯特空间展开。

12.量子叠加态的状态越多,则自由度越大,要表示的维度越大,操纵量子越困难。但是其量子比特越大,进行计算机量子并行计算的信息量越大越快。一维平动,二维平面运动,三维空间运动,还要描述量子的振动、波动、动量、角动量、量子机率……这些物理量。

从而让“量子”成了一个一个的精巧的数学模型,要用多维空间去描述。“量子力学”一百多年来也变成了一座“富丽堂皇”的物理理论大厦。但量子力学理论的应用性开发和相关理论的实验证明还待跟进,这是量子物理学家为什么乐此不疲地去探索量子叠加,量子纠缠和量子操纵的道理。

14.只要是学物理的都知道量子力学是大学四大力学(理论力学,电动力学,热力学,量子力学)中最难学的一门课程。大部分学生学得一头雾水,毕业后除一些量子名词以外,全部还给了老师,成了“小白”,其水平跟“民科”差不多。

但愿我这个学过一点量子力学的“量子小白”的解释能给你一点启发。13.量子纠缠的机理是什么?我告诉你我也不知道。有人试图引入“量子场论”、“弦理论”或则已被物理学抛弃了的“以太”说来加以解释都没结果。或许这是给下一个诺贝尔物理学奖获得者的课题,你就耐心地等待一下吧!

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