问题

如何看待量子纠缠的超距作用?

回答
量子纠缠的超距作用,这玩意儿真是让人脑洞大开,又有点儿毛骨悚然。简单说呢,就是两个粒子,它们好像心灵感应一样,无论相隔多远,一个状态变了,另一个也会瞬间跟着变,而且这种变化的速度,似乎比光速还要快。

听起来是不是有点儿玄乎?这就像你有一双袜子,无论把哪只袜子扔到宇宙的另一个角落,你一看手里这只的颜色,就能立刻知道那只袜子的颜色,而且不需要任何信号传递,它们就好像是“同步更新”的。

到底是怎么回事儿?

这就要从量子力学的“业力”说起了。在微观世界里,粒子不像我们宏观世界里那样有明确的属性。一个电子,在你测量它自旋之前,它可能既不是向上也不是向下,而是一种“叠加态”,就像一枚硬币在空中旋转,既不是正面也不是反面,而是两种可能性的混合。

当我们对两个处于纠缠态的粒子进行测量时,比如测量粒子A的自旋,假设我们发现它是“向上”的。那么,无论粒子B在哪里,我们立刻就能知道它的自旋一定是“向下”的。关键在于这个“立刻”。

爱因斯坦就特别不喜欢这事儿,他称之为“幽灵般的超距作用”(spooky action at a distance)。他觉得这违反了他提出的相对论,因为相对论说了,任何信息传递的速度都不能超过光速。如果纠缠粒子的状态变化真的是信息传递,那可就麻烦了。

为啥爱因斯坦会这么纠结?

想象一下,如果你在地球上测量粒子A,然后发现它是“向上”。如果纠缠真的是“超距作用”,那么远在仙女座的粒子B,它的状态是不是就瞬间“向下”了?那么,远在仙女座的某个人如果也同时测量粒子B,他就能得知粒子B的状态。如果他恰好知道粒子B是和粒子A纠缠的,并且也知道粒子A的状态,他是不是就“知道”了地球上的测量结果?这不就相当于信息传递超越了光速吗?

但是,事情并没有那么简单。虽然粒子的状态是瞬时关联的,但我们并不能利用这种关联来传递有用的信息。 你测量粒子A得到“向上”,确实瞬间确定了粒子B的状态是“向下”,但远在仙女座的人并不知道你测量了A,也不知道A的状态是什么。他只能测量B,得到“向下”。他没有办法通过测量B来得知A的状态,除非你们事先约定好某种信号,比如你测量A后,再用光速信号告诉他你测到了什么。

所以,尽管看起来像是超光速的联系,但它并不能用来打电话、发邮件,或者玩什么时空穿梭的游戏。量子纠缠更像是一种预先确定的关联,而不是一种实时的通信。 就像我前面说的袜子例子,你扔掉一只袜子,它是什么颜色,其实在你把它扔出去的那一刻就已经确定了。你手里的这只,只是和你扔出去的那只具有相同的“基因”,它们在被分开的时候就已经被赋予了这种关联性。

量子纠缠是如何发生的?

纠缠通常发生在粒子被创造出来时,或者在它们相互作用的过程中。想象一下,一个高能粒子衰变成两个低能粒子,这两个新粒子就可能处于纠缠态。它们的总能量、总动量、总自旋等守恒定律,就“绑定”了它们的状态。

比如,一对纠缠的电子,它们的总自旋是零。如果一个电子自旋向上,另一个就必然自旋向下。这种关联是“内生的”,是它们形成时就带有的属性。

为什么我们对它的看法很重要?

量子纠缠不仅是理论物理学的奇妙现象,它更是未来许多颠覆性技术的基础。

量子计算: 纠缠态是量子计算机进行并行计算的关键。通过操纵纠缠的量子比特,量子计算机能够解决传统计算机难以企及的复杂问题。
量子通信: 量子密钥分发(QKD)利用纠缠的性质来生成无法被窃听的安全密钥。任何窃听行为都会破坏纠缠态,从而被察觉。
量子隐形传态: 这听起来更科幻,但确实是可能的。通过纠缠,我们可以将一个粒子的量子状态“传输”到另一个粒子上,而不需要物理上传输粒子本身。这就像是把一份“状态蓝图”传递过去,让远方的粒子按照蓝图重现一样。当然,传输的是状态,不是物质本身。

理解量子纠缠的几个关键点:

1. 关联性,而非通信: 纠缠粒子之间的状态是关联的,但这种关联不能用来传递信息。
2. 瞬时性,但受限于测量: 测量一个粒子会瞬间影响另一个粒子的状态,但这需要我们进行测量才能“显现”出来。
3. 非定域性: 这种关联不受空间距离的限制。
4. 量子力学的基本性质: 纠缠是量子世界固有的一种属性,并不是什么“魔法”。

总而言之,量子纠缠的超距作用确实挑战了我们基于经典物理的直觉。它告诉我们,微观世界的运作方式远比我们想象的更加奇妙和深刻。虽然它不是让你 instant message 到另一宇宙那么简单,但它确实揭示了一种我们尚未完全理解的、超越我们日常经验的宇宙连接方式。这玩意儿,就像宇宙在低语着它最深的秘密,而我们正努力去听懂。

网友意见

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超光速的信息传递是如何实现的?这个现象会引发新理论吗?

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