问题

如何用普通人能理解的语言解释量子纠缠?

回答
咱们今天聊点儿“玄乎”的,但又实实在在存在的东西——量子纠缠。听起来是不是有点像科幻小说?其实,它就像是现实世界里一对“心有灵犀”的粒子,只不过这种“心有灵犀”的方式,比我们想象的要神奇得多。

想象一下,你手里有两个特别的硬币。

这两个硬币并不是普通硬币,它们是从一个特别的“制造过程”里出来的,而且它们之间有一个神奇的联系。咱们叫它们“硬币A”和“硬币B”。

在你观察它们之前,它们都处于一种“不确定”的状态,也就是说,它们既不是正面朝上,也不是反面朝上,而是“既是正面也是反面”的一种奇妙混合。这听起来很奇怪,对吧?但量子世界就是这么“不按常理出牌”。

现在,关键的地方来了。这两个硬币是“纠缠”在一起的。

这意味着什么呢?

咱们把硬币A放到北京,硬币B放到上海。中间隔着千山万水,一点儿联系都没有,对吧?

但是,当你在北京观察硬币A的时候,假设你看到它是“正面朝上”。就在你看到硬币A是正面的那一瞬间,远在上海的硬币B,无论它之前是什么状态,都会立刻、马上变成“反面朝上”。

反过来也一样。如果你在北京看到硬币A是“反面朝上”,那么上海的硬币B就会瞬间变成“正面朝上”。

它们就像是拥有了某种“超光速”的默契。 你这边一改变,它那边立刻就跟着改变,而且是“恰好相反”的那一种。

是不是觉得很不可思议?

打个比方,这就像是你和你的朋友,一人拿着一个包裹,里面装着一个红球和一个蓝球。在打开包裹之前,你也不知道自己拿到的是红球还是蓝球,你的朋友也不知道。但一旦你打开包裹,发现里面是红球,那么你的朋友打开包裹,就一定是蓝球。而且,这种“知道”不是事后才发生的,而是你看到红球的那一刻,你的朋友包裹里的球就确定是蓝球了,即使他还没打开。

“测量”是关键

这里有一个非常重要的概念,叫做“测量”。在量子世界里,当我们去“观察”或者“测量”一个粒子的状态(比如我们上面说的硬币是正面还是反面),这个过程就会让它从那种“不确定”的叠加状态,变成一个确定的状态。

而量子纠缠的神奇之处在于,当你测量其中一个纠缠的粒子时,另一个粒子的状态会立即确定下来,而且与第一个粒子有确定的关联(比如总是相反)。

为什么这很重要?

打破了我们对“信息传递”的理解: 通常来说,信息的传递需要时间,比如打电话,信号需要走光缆或者通过空气传播。但量子纠缠似乎能绕过这个限制。你测量北京的粒子,上海的粒子立刻就知道,这种“知道”不是通过信号传递来的。
这是很多未来科技的基础: 量子计算、量子通信、量子加密等等,都离不开量子纠缠这个现象。比如,量子计算可以利用纠缠的粒子同时处理很多信息,比现在的电脑强大得多;量子通信可以通过纠缠来保证信息传输的绝对安全。

再深入一点点,但还是尽量通俗:

其实,我们说的“硬币”,在量子世界里更像是“自旋”这个属性。粒子(比如电子)本身有一种叫做“自旋”的内在属性,你可以想象成它在自己转圈,有“向上”和“向下”两种方向。

当两个电子发生纠缠后,它们就形成了一个整体。在你测量之前,它们可能是一个“自旋向上,一个自旋向下”的叠加状态,也可能是“自旋向下,一个自旋向上”的叠加状态。我们没法确定哪一个具体是哪一个。

但是,一旦你测量了其中一个电子,比如你发现它的自旋是“向上”的,那么在这一瞬间,另一个纠缠的电子,无论它在哪里,它的自旋就必定是“向下”的。

它不是说这两个粒子事先就商量好了,一个非得是正面,一个非得是反面。 而是它们之间有一种深刻的、非局域性的联系。这种联系,让它们的状态是互相依赖的,并且这种依赖是瞬时的。

所以,用最简单的话来说,量子纠缠就是:

两个(或更多)粒子之间存在一种特殊的、深度的关联。
在你测量其中一个粒子之前,它们都处于不确定的状态。
一旦你测量了其中一个粒子,它的状态就确定了,同时,另一个(或更多)纠缠粒子的状态也会瞬间确定,而且与第一个粒子之间有确定的关系(比如总是相反)。
这种状态的确定是瞬时的,不受距离的影响。

这个“瞬间”和“不受距离影响”是最让大家觉得不可思议的地方,也一度让很多科学家(包括爱因斯坦)感到困惑。爱因斯坦曾称之为“幽灵般的超距作用”。但无数的实验都已经证实了量子纠缠是真实存在的,并且它是量子力学最核心、最有趣的特性之一。

希望这个解释能让你对量子纠缠有了一个更直观的认识,虽然我们无法用日常的经验完全套用到它上面,但正是这种“反直觉”的特性,才让它如此迷人,也为我们打开了通往全新世界的大门。

网友意见

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顺便也给老潘讲明白吧:

朝闻道,夕死可矣


“量子力学为什么会这么奇怪,这个基本问题根本没有解决,我们可能还处于出发点上。对我来说,为什么会有量子纠缠,是最深层次的东西,我始终没有忘记。我把实验做下去,将来可能搞明白。”

—— 潘建伟(中科院院士、中科院量子信息与量子科技创新研究院院长)

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