幻影般的距离:纠缠之谜 2019-06-23

    爱因斯坦可以说是量子力学的创始人之一,但他反对概率论和不确定性原理。为了证明量子力学是不完整的,他试图设计各种思想实验来测试量子力学。他发现,在量子力学的一些情况下,一个粒子的测量可以通过在任意距离上分离两个粒子来瞬间改变另一个粒子的状态,这不受光速的限制。爱因斯坦认为,要证明量子力学的不完备性,称之为“幽灵般的进一步行动”是绝对不可能的。那么发生了什么?15.1波尔和爱因斯坦招募了爱因斯坦作为量子理论的创始人之一,但他是一个坚定的决定论信徒。他坚信“上帝不会掷骰子”。他认为哥本哈根对量子力学的解释是不完整的。概率和不确定性是由于人们无法理解自然的深层规律,而不是由于自然本身的不确定性。这张照片来自爱因斯坦,他不习惯互联网上的概率理论,并对它发起了强有力的攻击。为了找出漏洞,他用他天才的头脑设计了几个思维实验。作为哥本哈根解释的领导人,波尔不得不面对困难,他们之间的辩论成为物理学史上的一个好故事。20世纪初,发明苏打生产方法的比利时百万富翁和化学工业家欧内斯特·索尔维转向物理研究,“发明”了引力和物质理论,但是没有人对此感兴趣。1910年,著名的德国化学家纳恩斯特给索尔维一个想法,如果他资助了一次为最伟大的物理学家举办的研讨会,就会有人听他的理论。索维很高兴。好主意!所以,著名的解决办法会议就是在这个历史时刻产生的。Sol Wei。1911年10月底,第一届解决方案大会在比利时布鲁塞尔召开。当时,邀请了最著名的物理学家,包括爱因斯坦、普朗克、居里夫人、洛伦茨等。为什么没人付钱让你见面讨论科学的前沿?所以每个人都参加了。尽管物理学家对索尔维的“理论”仍然不感兴趣,但他们在量子理论这个他们感兴趣的话题上进行了激烈的讨论,这次会议取得了巨大的成功。在洛伦兹的帮助下,索尔维于1912年5月创立了一个30年的基金,名为国际物理协会。此后,索尔维会议每三到五年举行一次,成为当时物理学家的盛会。1927年,在第五届索尔维会议上(之前已经多次提到,如图15-1所示),爱因斯坦和波尔的辩论开始了。早餐时,爱因斯坦做了一个思维实验,在双狭缝干涉实验中,双狭缝悬挂在弹簧上,所以他认为弹簧可以测量粒子通过双狭缝时的背冲量,从而确定粒子通过哪个狭缝。波尔花了一整天的时间考虑这件事。在晚宴上,他指出了爱因斯坦推理中的缺陷:爱因斯坦的演示必须同时知道两个狭缝的初始位置和动量,才能有用,而且不确定性原理限制了同时精确测量物体的位置和动量的可能性。通过简单的计算,波尔可以证明这种不确定性足够大,足以使爱因斯坦的演示实验失败。这是波尔第一次获胜。1930年,在第六次求解大会上,爱因斯坦卷土重来,对不确定性原理提出了挑战。如前所述,位置和动量之间存在不确定的关系。后来,人们发现时间和能量之间也存在着不确定的关系。如果粒子的能量E是在某一时刻t测量的,那么不确定度满足以下关系:这个公式表明,如果粒子只能在某一能量状态E停留一段时间,那么在这个时间段内粒子的能量不能完全确定,它有一个色散范围,并且只有当粒子处于某一能量状态E时,它才具有色散范围。e在无限长的时间内保持能量状态,它的能量是完全确定的。也就是说,时间和能量不能同时精确测量。爱因斯坦抛弃了这样一个意识形态实验。假设有一个密封的箱子,里面有辐射,箱子的质量应该事先称重。预先设计的时钟机构打开盒子上的小门,让光子逃逸,然后测量盒子的质量。这两种测量只是光子的质量。根据E=mc2,可以计算光子能量。由于时间测量由时钟完成,光子能量测量由盒的质量变化导出,它们相互独立,测量精度不应相互限制,因此能量与时间的不确定性原理是不成立的。波尔整天都感到震惊和沮丧。他说如果爱因斯坦是对的,那么物理学的末日就会到来。经过一夜思索,他终于在爱因斯坦的推理中发现了一个缺陷。第二天,玻尔从理论上推导出黑板上的灯箱实验(见图15-2)。他使用的理论是广义相对论的引力红移公式。箱子位置的改变会引起时间的膨胀。经过推导,他推导出能量和时间之间的不确定关系。波尔用相对论论证论证了不确定性原理!可以说,不确定性原理更有说服力。在这轮比赛中,爱因斯坦被波尔用他著名的特技击倒。他一定很沮丧。爱因斯坦还出席了1933年的第七届索尔维会议。他听了玻尔关于量子理论的演讲,没有发表评论。波尔松了一口气,爱因斯坦终于放弃了。爱因斯坦已经开始计划打他的脑袋。他给了另一个物理学家一些想法,但是他没有把这个问题交给波尔。也许他需要完善他的思想,然后等待时间来杀死他。15.2EPR悖论:爱因斯坦在希特勒的纠缠状态出现后离开了德国。1933年10月,他横渡大海,在美国普林斯顿大学工作。在这里,他终于击中了计划已久的拳头。1935年5月,爱因斯坦和他的两个同事,波多尔斯基和罗森,合著了一篇题为《量子力学中物理现实的描述是否完整?发表在《物理评论》上的这篇论文后来被三位作者的首字母EPR称为EPR悖论。在1935年给薛定谔的一封信中,爱因斯坦解释了这篇论文的起源:“由于语言问题,这篇论文是波多夫斯基经过长时间的讨论而写成的。我的意思表达得不好。事实上,最关键的问题隐藏在研究和讨论的过程中。ERP悖论。尽管爱因斯坦这么说,EPR论文中的观点实际上在量子力学领域引起了震动。文中给出的例子相当复杂。我们不在这里讨论。中心思想是,对于一对在离开前具有一定关系但在离开后失去接触的粒子,即使它们之间没有连接,一个粒子的测量也可以在任何距离上立即影响另一个粒子的性质。爱因斯坦称之为“鬼魂超调效应”,因为一个粒子不可能比光速更快地影响另一个粒子,从而证明了量子力学的不完备性。薛定谔后来将两个粒子的状态命名为纠缠。根据量子力学理论,在测量之前,粒子的性质是不确定的。令人难以置信的是,人为的随机测量,例如测量光子的偏振方向(参见9.3节),会瞬间影响与它纠缠在一起的另一个远离地平线的光子的偏振方向。所以爱因斯坦的拳头真的很厉害。波尔读到这篇文章时大吃一惊。他立即放下手头的工作,考虑如何驳斥EPR的论文。经过三个月的努力,波尔终于向物理评论杂志提交了他的论文作为对EPR的回应。他的论文题目和EPR完全一样:量子力学中对物理现实的描述是否完整?”玻尔在工作。事实上,波尔的驳斥是无能为力的,因为EPR的推断没有错。波尔也承认这个推断的存在,但爱因斯坦认为这个结果不可能,波尔认为这是可以发生的,仅此而已。也就是说,对于论文题目,EPR给出的答案是“否”,而波尔给出的答案是“是”。这样的论点不会产生结果,只有实验才是最有力的。不幸的是,纠缠实验太难做了,波尔和爱因斯坦在他有生之年都没有见过。这在物理学上是很可惜的。后来的实验证明纠缠现象确实存在!在攻击量子力学时,爱因斯坦的拳头比拳头重,但是结果,这些拳头打中了他。他的每一拳都给了量子力学一个证明自己的机会,不管它有多么不可思议。15.3纠缠态实验证明,各种粒子都可以处于纠缠态。相对而言,光子的偏振是最简单的实验操作。纠缠态的实验测试就是基于此。首先,我们需要一对纠缠光子。对于网络中一些特殊的受激原子,电子通过两个连续的量子跃迁从受激态返回到基态,从而可以同时释放两个反向飞行的光子,该光子对的净角动量为0。这个光子叫做“双光子”。现代光学技术是实验的关键部分。我们需要测量这对光子的偏振方向。在相反方向上飞出的双光子之间没有联系,但是由于它们的净角动量是0,如果你测量一个光子的偏振方向,另一个光子必须保持与光子相同的偏振方向,否则它不能保持净角动量是0。这是一个疯狂的推断。爱因斯坦不相信。太不可思议了。你知道,当你测量第一个光子的偏振时,偏振器的角度是随机的。这个光子的偏振方向完全由你的主观决定,另一个光子怎么知道?但是实验结果表明情况就是这样。实验原理图如图15-3所示。为了便于叙述,我们人为地设置了一个参照垂直方向。为了避免光子提前“探测”偏振器的方向,我们在两个光子飞出后放置偏振器。虽然光速非常快,但是目前的实验技术可以做到这一点。好,现在开始实验吧。我们在光子1前沿垂直方向放置一个偏振器1。当它到达偏振器1时,有几种情况如下:(1)当光子1通过偏振器1时,把偏振器2放在光子2的前面。你会发现,如果偏振片2在垂直方向,光子2可以穿过;如果偏振片2在水平方向,光子2就不会穿过。(2)当光子1没有通过偏振器1时,把偏振器2放在光子2的前面。你会发现,如果偏振器2是垂直的,光子2就不会通过;如果偏振器2是水平的,光子2就会通过。显然,上述实验结果表明在光子1被偏振之后,光子2的偏振瞬间被确定,保持与光子1相同的偏振方向。图片来自网络。您可以选择参考的垂直方向作为任何实际方向,这不会影响实验结果。这证明两个分开的光子仍然纠缠在一些神秘的连接中。这个实验可以说是有道理的,但是人们仍然不满意。因为在本实验中,偏振片1与偏振片2之间只有两个角度:0度和90度,这可以用隐变量理论来证明。也就是说,这个实验不能确定量子力学和隐变量理论中谁对谁错。那我该怎么办呢?1964年,英国科学家约翰·贝尔提出了一个强有力的数学不等式,叫做贝尔不等式。利用这种不等式,物理学家可以检验自然界是根据量子力学所预测的“鬼魂超调”还是根据爱因斯坦最喜欢的隐藏变量来运行的。约翰贝尔。在Bell不等式中,偏振片1和偏振片2之间的角度可以是任意的。如果两个光子在潜变量中工作,则偏振方向在开始时确定,这将满足不等式。如果两个光子在量子力学中工作,偏振方向在开始和叠加状态是不确定的,它将不能满足不等式。为了验证Bell不等式的正确性,需要改变两个偏振器之间的夹角,使得它们之间的夹角可以在90 90 90的范围内任意变化。实验原理图如图15-4所示。量子力学和隐变量理论之间的差异很小。研究人员只能通过测量不同偏振角的光子的偏振相关来判断哪个理论是正确的(见图15-5)。这个实验显然更难,但实验物理学家总能找到方法去做。经过努力,实验终于成功了,结果是:Bell不等式没有建立!1972年,美国科学家Crawser和Friedman首先用实验证明Bell不等式无效。20世纪70年代末80年代初,法国物理学家阿兰·阿斯佩特进行了一系列精度更高、实验条件更严格的实验。他的装置可以以每秒2500万次的速度改变偏振器的方向。实验结果证明了Bell不等式的有效性。更重要的是,实验数据与量子力学的预测是一致的,而隐变量理论被量子力学所遗忘。阿兰·阿斯佩特。图片来自网络,也就是说,双光子在离开后处于叠加状态,并且当一个光子被随机测量并转换为确定性状态时,无论空间有多远,另一个光子瞬时变成相同的确定性状态,尽管似乎没有物理现象。两者之间的连接。虽然量子力学已经获胜,但纠缠仍然是一种不可思议的现象。如何理解人类主观测量在纠缠态中的作用?也许我们只能承认和使用它,但是我们不能理解它。在15.4GHZ三粒子纠缠和两粒子纠缠被发现后,人们自然地思考了多粒子纠缠的可能性。20世纪80年代末,美国物理学家格林伯格、霍恩和奥地利物理学家齐林格提出了三粒子纠缠现象,其首字母被命名为“GHZ三粒子纠缠”。1990年,他们发表了一篇题为“贝尔定理不等式”的论文,指出三个或更多粒子的纠缠只能在量子力学的框架内发生。它与隐变量理论不相容,即所谓的“GHZ定理”。也就是说,确定量子力学和隐变量只需要测量三个粒子的纠缠状态。Bell不等式需要测量大量的粒子。统计平均用来检验不等式是否有效,而多粒子纠缠不需要那么麻烦。图片来自互联网,那么如何再生三个纠缠光子呢?1997年,塞林格的研究小组提出了一个方案:在实验装置中放置两对纠缠光子,在一光子对1中的一对光子与一光子对2中的一对光子纠缠(即,它们变得不可区分),并且这两者形成一种新的纠缠关系;在新的纠缠中捕获一对光子。gled光子对,其余三个光子会相互作用。纠缠。2000年,潘建伟等人首次实现了三光子纠缠态,验证了GHZ定理,并在量子力学上取得了新的胜利。15.5量子隐形传态:能实现超空间隐形传态吗?纠缠态最有吸引力的应用是量子隐形传态。量子隐形传态是指将A处一个粒子的未知量子态还原为B处另一个粒子。借助于量子纠缠,要传输的量子态就像科幻小说中描述的“超空间传输”,神秘地消失在一个地方,没有任何载体,并且出现神秘现象。很奇怪地去了另一个地方。1982年,物理学家Wootters发表了一篇题为“不可克隆的单量子态”的论文,证明任何未知的量子态都不可能精确而完全地复制。这就是所谓的“量子态不可克隆原理”。事实上,不难理解“克隆”是在不破坏原始量子态的情况下重建相同的量子态。任何量子态都处于叠加态,这是一个完全不确定的状态。如果你想克隆它,你必须测量它。一旦你测量了它,它就会变成一个确定的状态,并且会被摧毁。你怎么能克隆它?1993年,贝内特等6位科学家共同发表了一篇题为《经典和EPR通道对未知量子态的传输》的论文,开创了量子隐形传态研究的先河,激发了人们对量子隐形传态的兴趣。由于量子态的不确定性原理和非克隆性原理的局限性,我们无法准确提取原始量子态的全部信息。因此,我们必须把原始量子态的所有信息分成两部分:经典信息和量子信息,它们分别通过经典信道和量子信道发送到B处。经典信息由发送方通过对原始信息进行一些测量而获得,而量子信息是发送方在测量中未提取的其余信息。在这个过程中,量子信息的传输必须通过纠缠态来实现。在接收到这两种信息后,接收器可以在B处构建原始量子态的全景。来自网络的图片和它们的简单原理如图15-6所示。粒子2和粒子3是一对纠缠的粒子,粒子1是需要转移的原始粒子。在地面A进行所谓的“贝尔基测量”之后,建立了粒子1和粒子2之间的相关性。事实上,在贝尔基测量的时刻,三个粒子之间的纠缠转移已经完成。原始的非纠缠粒子1与粒子2纠缠,并且粒子1的原始量子状态的大部分信息已经传送到粒子3。在结合经典信息后,粒子3被构造成粒子1的原始量子态。在这个过程中,发送者对粒子1的量子态一无所知。当隐形传态完成时,粒子1的量子态被破坏。由于量子隐形传态只能通过经典信道实现,因此不可能实现超光速通信。1997年,奥地利塞林格研究小组(潘建伟也参与了这项研究)完成了量子隐形传态原理的第一次实验验证,成功地将量子态从光子传输到B光子,成为量子信息实验领域的经典工作。随后,世界各国的科学家进行了各种各样的量子隐形传态实验。2012年,由中国科技大学和中国科学院潘建伟领导的联合研究小组在青海湖自由空间成功实现了第一个100公里的量子隐形传态。量子隐形传态最有可能引起人们对它是否能够实现远距离人类传输的遐想。毕竟,人类是由微观粒子组成的,尽管这个数字几乎是天文数字。这个想法是,一个人体内所有粒子的量子信息能传输到另一个地方的粒子以用于人体重构吗?这个想法已经超出了物理学家在这个阶段的能力。可能需要几百年甚至几千年才能得到答案。(高鹏的《从量子到宇宙》。)

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刘君
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