量子纠缠现象,得从量子纠缠机制去说!

第四十三章:量子纠缠现象,得从量子纠缠机制去说!

世界最奇妙的东西,一生的时间是看不完的;人生最美好的东西,需要去发现,但也是无限多的。所以我们是幸福的,也是总会有点遗憾的。

量子纠缠也许是你听过的这个世界上最奇妙的事情,听过这个事情,也很美。如果能了解它,那就更美不可言了。

其实我在《变化》中就对量子纠缠有过论述,题目是《量子纠缠的超距作用,超光速是假象》,是谈到光速的时候,对这个问题进行了解析。谈到光速的时候,这个问题也无法避免。所以要勇敢面对。今天时隔一年,我们再来深刻看一下这个问题。

灵遁者:量子纠缠现象,得从量子纠缠机制去说!

首先还是简单介绍一下什么是量子纠缠。在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子纠缠(quantum entanglement)。

量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象;在经典力学里,找不到类似的现象。

假若对于两个相互纠缠的粒子分别测量其物理性质,像位置、动量、自旋、偏振等,则会发现量子关联现象。

例如,假设一个零自旋粒子衰变为两个以相反方向移动分离的粒子。沿着某特定方向,对于其中一个粒子测量自旋,假若得到结果为上旋,则另外一个粒子的自旋必定为下旋,假若得到结果为下旋,则另外一个粒子的自旋必定为上旋;更特别地是,假设沿着两个不同方向分别测量两个粒子的自旋,则会发现结果违反贝尔不等式;除此以外,还会出现貌似佯谬般的现象:当对其中一个粒子做测量,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,尽管两个粒子相隔甚远。

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首先大家遇到一个问题的时候,一定要细致分析。因为问题里面的问题就足以让你迷糊。

首先就上面的介绍,你必须知道这几个要点,不然你谈不上去理解量子纠缠,那是不可能的事情。

1、量子纠缠是发生在量子系统。宏观世界里找不到,但记住是——目前找不到,目前没有找到。

2、发生量子纠缠的系统必须是两个粒子以上的量子系统。你不光要记住粒子数量的规定,还得领悟系统这两个字! 谈到系统一定要想到整体性! 也就是说发生量子纠缠的粒子,是一个整体!一定是一个整体!

3、还有就是距离问题!发生量子纠缠的距离问题。这是个要点,很多百科知识,有误解。让很多人以为相距很远很远的粒子,都能发生量子纠缠。但我要告诉你,不可能的!目前从来没有研究显示说一个粒子和一个一光年之外的粒子发生了量子纠缠。

先来说说为什么量子纠缠发生的距离是有限的,不是无限远【理论上有无限远】。

大家看看下面的关于量子纠缠的新闻实验:中国科学技术大学潘建伟、彭承志等研究人员的小组早在2005年就在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠“拆分”、发送的世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。

2007年开始,中国科大——清华大学联合研究小组在北京架设了长达16公里的自由空间量子信道,并取得了一系列关键技术突破,最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输,证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性,为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。该成果已经发表在2010年6月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然·光子学》上,并引起了广泛关注。

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从上面的报道中,出现了几个“可行性”的词汇,就说明这种传输技术的距离要求是很难的。看看“13公里”“16公里”这些数字,你就清楚这种距离是有限制的。所以和10光年之外的粒子发生纠缠,对我们来说还是天方夜谭。而且新闻中也说:“证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性。”重点还是在“可能性”这三个字。

所以必须克服对“量子纠缠”的干扰。不然量子纠缠态解除。 而且根本无法实现“控制”这一说,因为“控制”就意味着干扰!

再回到第二点,量子纠缠系统上来。举一个例子最好了。如下图。

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照射激光束于偏硼酸钡晶体,会因第二型自发参量下转换机制,在两个圆锥面交集的两条直线之处,制备出很多偏振相互垂直的纠缠光子对。

看上面的案例,大家应该清楚了。量子纠缠发生的系统是有限制的。不是说随随便便就能有。有“同源”规则,不可能你随便拿个手电,我也拿个手电,同时打开之后,光子们自动量子纠缠了。这是不可能的。

有一点大家在本书的前两三章就看到了。是关于EPR之争,是关于贝尔不等式的,之所以将他们放在前几章,就为了通书大家要记住,和这些内容是密切关联的。

量子纠缠就是从EPR之争,才开始被人重视的。一开始其实是爱因斯坦为了用量子纠缠来证明量子力学的不完备性。他提出一个隐变量理论。还是简单给大家回顾一下历史,请看下文。

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1935年,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。

EPR论文很显然地引起了众多物理学者的兴趣,启发他们探讨量子力学的基础理论。但是除了这方面以外,物理学者认为这论题与现代量子力学并没有什么牵扯,在之后很长一段时间,物理学术界并没有特别重视这论题,也没有发现EPR论文可能有什么重大瑕疵。

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EPR论文试图建立定域性隐变量理论来替代量子力学理论。1964年,约翰·贝尔提出论文表明,对于EPR思想实验,量子力学的预测明显地不同于定域性隐变量理论。概略而言,假若测量两个粒子分别沿着不同轴向的自旋,则量子力学得到的统计关联性结果比定域性隐变量理论要强很多,贝尔不等式定性地给出这差别,做实验应该可以侦测出这差别 。因此,物理学者做了很多检试贝尔不等式的实验。

1972年,约翰·克劳泽与史达特·弗利曼(Stuart Freedman)首先完成这种检试实验。1982年,阿兰·阿斯佩的博士论文是以这种检试实验为题目。他们得到的实验结果符合量子力学的预测,不符合定域性隐变量理论的预测,因此证实爱氏的定域性隐变量理论不成立。但是,至今为止,每一个相关实验都存在有漏洞,这造成了实验的正确性遭到质疑,在作总结之前,还需要完成更多精确的实验。

这些年来,众多的卓越研究结果促成了应用这些超强关联来传递信息的可能性,从而导致了量子密码学的成功发展,最著名的有查理斯·贝内特(Charles Bennett)与吉勒·布拉萨(Gilles Brassard)发明的BB84协议、阿图尔·艾克特(Artur Eckert)发明的E91协议。

2017年6月16日,量子科学实验卫星墨子号首先成功实现,两个量子纠缠光子被分发到相距超过1200公里的距离后,仍可继续保持其量子纠缠的状态。

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看了上面的量子纠缠相关历史,你们肯定有想提问的。我来帮你们问!

1.量子纠缠引导的量子密码学为何安全?

2.量子纠缠的距离,都达到了最新的1200公里了,是不是说它已经超光速了? 证明想对论是错误的。

3.如何理解量子力学这种“超光速”,是真的超光速吗?

4.量子纠缠的机制,本质是什么?

第一个问题:量子纠缠传输为什么安全,很简单就是因为量子纠缠态是一个系统,是一个整体。它之所以安全,是因为它无法被干扰,或者侵入。一般侵入或干扰,量子纠缠解除,传输终止。量子纠缠不像我们的电脑,受到黑客侵入,电脑还在运行。量子纠缠态如果受到侵入,就停止了这种状态的传输。但这里大家要理解“传输”这个词,不是日常我们理解的那样。把一个东西,送到一个地方。就比如我给你发一个邮件,这叫传输。量子纠缠现在做不到这样的。

第二个问题:量子纠缠没有实现真正意义上的超光速,相对论是正确的。

第三个问题:既然量子纠缠没有实现真正意义上的超光速。那我们该如何理解。我曾经在《变化》举一个例子。很通俗,便于大家理解。我再重述一下这个例子。

通俗一点解释可以这样理解,两个或两个以上的粒子的量子纠缠态是一体的东西,在一个波函数描述之下,和距离无关。
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就好像是两个人坐一个跷跷板玩。A和B坐在上面的时候,就有了这种超关联联系,即纠缠。A下去,B必然上来;相反B下去,A立刻上来。但我们不能说这种联系是超距的,也就是不能说A和B之间的变化是超光速完成的。要知道这和A和B之间的距离“无关”,与他们之间的联系态有关。

再直白一点简单一点就是,你不能说你和你自己是有距离的,因为你和你自己本来就是一个人,一体的。哪来的距离? 我和你之间才有距离!懂了吗? 就是这个意思。

如果你还不懂,我再举一个例子。这个例子你要还不能理解。那我就摇头了。想象力匮乏了。

你的大脑是一个系统,很复杂,很神奇。这是我们公认的。你现在想象一下,你大脑中有两个粒子。一个叫地球,一个叫太阳。你一跃,不到一秒从地球跳到太阳上了。

现实中光要走8分钟,你一秒中靠想力里完成了。这叫超光速吗?其实我要表达的是你就没有走距离! 重点是理解这个!

之所以想到用这个给大家举例,是因为有人网络新闻文章说心灵感应,就是一种量子效应。这是种大胆的假设,这种现象报道了多起。电视上我也见过,专门搜过看的。

你会发现,所有的这种心灵感应案例。多以母亲与儿女,多以双胞胎为案例的。很少有以隔代的,或邻居间的,或父亲的。为什么?

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其实还挺值得思考的,但我承认这不够严谨。

我的思考观点是这样:如果两个人共用过一个身体,或在某种程度上共用过一个大脑,或者也可以说一个系统。那么这种感应应该要强。那么就符合双胞胎,符合母亲与儿女之间的现象。

因为他们都共同使用过一个生命系统。万物是有联系的,万物也有辐射。如果这种辐射,这种能量有距离传输的这种感应,那么双胞胎,以及母亲与儿女之间的感应是最有超强关联的。和量子纠缠有相似之处。所以这种大胆假设,我不排斥。并且我就是这样思考的。

但说这种思考,不严谨。也是我第一次写在科普书籍中的。其实这思考,我在写《变化》的时候,就出现过。但今天好像更适合来引申一下。作为科普启发,我觉得不为过。

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不严谨是因为人是宏观的,记住。目前量子纠缠在经典力学还没有被发现过。

但记住,即使有一天这种心灵感应被认为是确定的,实验证实的。我依然对相对论有信心。因为我在上面说了,我依然认为这种心灵感应现象是一个整体的。也谈不到真正意义上的超光速。

通过上面的几个例子,也就是说量子纠缠信息传输技术也是有限制的。它必须在这个“跷跷板”系统中。

那很多人可能又要打断其他的人的问题,开始新的发问:“那什么才是真正意义上的超光速,超光速传输?”

很简单,火箭速度大于光速叫超光速!真正意义上的超光速传递是要传递有效信息的,携带东西的。有人反驳说,你让火箭超光速,不是开玩笑吗?怎么可能! 你要这样反驳,我还挺高兴,说明你也认为不可能。因为一个火箭所携带的信息太多,物质太多。

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那么换一个你认为可能不?把一个1G电影传以超光速传给任何人,也算。你认为可以实现吗? 或者一首歌,超光速传递给我。都算传递有效信息。如果不能传递有效信息,那就不是超光速。那就是没有传递!那就是没有传递!懂了吗? 就是这个意思。你和你的距离是零,你做的任何动作,都不需要你和你之间传递。

正像汤卫东教授说:量子隐形传态,是在一对量子纠缠资源的辅助下,将某个未知量子态信息传递到另外一个地方。传递的是信息,而非物质。若用“瞬间转移”来形容,转移的也只是量子态,并不是粒子本身。

现在来回答,最后一个问题:量子纠缠的机制是什么?

我在《变化》中说过,量子纠缠的超光速是假象,其实在本章中也说明了这点。但量子纠缠的机制,我没有敢在《变化》中写,因为实在是想不出。翻了好多资料,看了好多文字,还是一头雾水。

我倒并不是怕你们骂我,否则我写完《变化》之后,就不会写这本了。实在我有时间,然后我又喜欢这些东西。然后我发现还没有这样一本书,让我这样的数学基础差的人,能读懂的科普书籍。

那我不愿意等,等别人写出来,我再看。时间有限,赶紧行动吧。我自己写吧。就这样,我开始写了。有多有意思,有多有烧脑,有多有费眼睛我就不说了。总之,我很享受这过程。

今天我要写量子纠缠的机制,当然是大胆假设。给别人启发,就是给自己惊喜。

首先大家这样理解:一个量子系统是由几个处于量子纠缠的子系统组成,而整体系统所具有的某种物理性质,子系统不能私自具有,这时,不能够对子系统给定这种物理性质,只能对整体系统给定这种物理性质,它具有“不可分性”。

不可分性不一定与空间有关,处于同一区域的几个物理系统,只要彼此之间没有任何纠缠,则它们各自可拥有自己的物理性质。物理学者艾雪·佩雷斯(Asher Peres)给出不可分性的数学定义式,可以计算出整体系统到底具有可分性还是不可分性。

假设整体系统具有不可分性,并且这不可分性与空间无关,则可将它的几个子系统分离至两个相隔遥远的区域,这动作凸显出不可分性与定域性的不同──虽然几个子系统分别处于两个相隔遥远的区域,仍旧不可将它们个别处理。在EPR佯谬里,由于两个粒子分别处于两个相隔遥远的区域,整体系统被认为具有可分性,但因量子纠缠,整体系统实际具有不可分性,就像一个“跷跷板”系统,这是我反复强调的。

那这个系统是什么呢? 肯定是一种场。从发生的纠缠粒子“同源”性质我们可以有这样的认识。准确来说,是一种电磁场。

再来看看上面的那幅图,以便于理解量子纠缠机制。

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以上面的量子纠缠为例,我们可以这样理解。激光就是运动光,光是电磁波。也可以说激光就是运动的电磁场。

理论上电磁场的辐射范围是无限远的。也就说理论上量子纠缠粒子间的距离可以达到无限远。但现实中难以实现,因为场强与距离r是有关的。我自己根据上图画一个升级版的。图画的不好,见谅。方便大家理解。

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整体的场就如同这个大喇叭形状的图,但量子纠缠对的每一种情况可以单独视为一个小系统。可以叫“量子微场”,这样我们把A2和B2的量子纠缠对微场系统叫L,其他两个分别是L1和L2.

L到L1,到L2的距离是增加的,A1和B1其实是A2和B2到L1的情况。A和B其实又是A1和B1到L2的情况。在这个变化过程中,量子纠缠对粒子之间的距离增大了,量子纠缠对与晶体的距离也增大了。

这就是说理论上而言,量子纠缠对之间的距离可以达到无限远。目前最新的测量1200公里。但现实中不能实现无限远。是因为量子纠缠机制很敏感。距离场源越远,超强联系是递减的。换句话讲就是距离越远越容易被干扰,而使得纠缠态解除。

在这里要强调,量子微场这个概念,是为了将量子纠缠对看作整体而在大场范围内的运动的设想。量子微场是包括在大电磁场的范畴内的。

这样我们在测量的时候,为什么会得到两个粒子相联系的现象就好理解了。因为这是一个系统,而两个粒子运动状态数量是有限的。

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两个相互纠缠的粒子分别测量其物理性质,像位置、动量、自旋、偏振等,则会发现量子关联现象。例如,假设一个零自旋粒子衰变为两个以相反方向移动分离的粒子。沿着某特定方向,对于其中一个粒子测量自旋,假若得到结果为上旋,则另外一个粒子的自旋必定为下旋,假若得到结果为下旋,则另外一个粒子的自旋必定为上旋。

为什么会出现这种情况呢。很显然两个量子纠缠态粒子是用一个波函数来描述的。粒子的运动状态态数是与自旋有关的。这种情况就类似将这个量子微场看作一个“费米子”,当你对两个纠缠粒子测量时候,他们不能同时处于同一种运动态。所以会出现一个上,一个下。或一个下,两一个上。其实很好理解,就是同一个人,你可能同时在两个地方。

所以理解量子微场是很重要的,整体性是不能脱离的。这就是量子纠缠的机制。

所以根据我的理论,有以下预测。

1、量子纠缠的粒子间距,还会扩大。不会止于1200公里。但这个距离会有限制。因为干扰无法避免。这是客观上的。

2、量子纠缠属实不能说明量子力学的不完备性。事实上完备性才是不存在的。我这样说不是说世界或量子体系是不确定的。是因为我们无法掌握完备性的所有因素,所以理论无论从实验,还是数据来看,都是不完备的。但世界的确定性,已经包含在世界规律逻辑之中的!! 你一定要理解这句话,才能理解为什么世界是确定的。

就像维特根斯坦在《逻辑哲学》中说的,一个事件发生了,一定是这种发生的条件早就包含在逻辑之中了。

3、看到过用量子纠缠研究时间的论文,量子纠缠和时空有联系,但要探究时间的本质。用量子纠缠还远远不够。甚至说不是主要矛盾,所以时间不应该以此为主线研究。时间还是我在《变化》中的观点那样。是客观存在的,时间是能量物质,在引力场中的位置以及运动速度的应变度量过程。在我们没有对量子和宏观世界的界限做出判定之前,时间体系就不应该一分一二。

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4、量子纠缠和夸克禁闭是状态相反的两种状态。量子纠缠随距离变大,超强关联性减弱。夸克禁闭相反,随着距离增大,超强关联性增加。所以强相互作用力,最大。

以上就是我对量子纠缠的认识和理论。我知道再写2万字,也还能有很多延伸。我们的认识永远是深化的。

摘自独立学者,诗人,作家,国学起名师灵遁者量子力学书籍《见微知著》

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