问题

能否通俗地解释一下,什么是量子纠缠?

回答
想象一下,你有两枚非常特别的硬币,它们之间存在一种奇特的联系,这种联系我们称之为“量子纠缠”。

它们是怎么纠缠上的呢?

通常,我们创造出纠缠硬币的方式是让它们以一种特殊的、相互关联的状态产生。这有点像你把两滴墨水滴入水中,它们会以一种微妙的方式扩散和混合,虽然它们是分开的,但它们的运动和分布却有着说不清的联系。在量子世界里,这种联系比我们日常的观察要深刻得多。

纠缠究竟意味着什么?

一旦这两枚硬币纠缠上了,神奇的事情就发生了。你把其中一枚硬币放到上海,另一枚带到北京,甚至带到月球上去。在你还没有观察它们的状态时,它们都处于一种“不确定”的状态,就像硬币在空中旋转,你不知道是正面还是反面。

但是,一旦你观察了上海的那枚硬币,比如你看到它是正面朝上,那么几乎是瞬间,你立刻就知道北京(或者月球上)那枚硬币的状态——它一定是反面朝上。反过来也一样,如果你在北京看到它是反面朝上,那么上海那枚就一定是正面朝上。

这不是简单的“事先约定”

你可能会想,这不就是就像我事先把两枚硬币约定好,一枚是正面,一枚是反面,然后分开一样吗?不是这样的。这里的关键在于,在被观察之前,它们都 不确定 自己的状态。它们的纠缠关系规定了,一旦一个被确定,另一个的状态也立刻被确定,而且是相互关联的。

这个“立刻”是多么关键。它发生在宇宙的任何距离,而且似乎是瞬间完成的。这就像是你拍了一下上海的硬币,然后北京的硬币立马“知道”发生了什么,并调整了自己的状态。爱因斯坦曾对此感到非常困惑,称之为“鬼魅般的超距作用”。

再举个例子,更具象化一些:

想象你有一双非常特别的手套,一只左手套,一只右手套。你把它们分别放进两个不透明的盒子里,然后让其中一个盒子飞往遥远的星系。在你打开盒子之前,你不知道里面是左手套还是右手套。但是,当你打开离你最近的盒子,发现里面是左手套时,你立刻就知道,那个遥远星系的盒子里,装的一定是右手套。

但是,量子纠缠比这个比喻更微妙。不是说其中一个盒子里“一定”是左手套,另一个“一定”是右手套,而是它们在被观察之前,都处于一种“既是左又是右”的模糊叠加状态。一旦你观察了其中一个,确定它是左手套,那么另一个的叠加态立刻“坍缩”,变成了右手套的状态。

为什么这个很重要?

量子纠缠是量子世界最令人惊叹的现象之一,也是量子计算、量子通信和量子加密等前沿技术的基础。

量子计算: 纠缠的粒子可以同时处理信息,这让量子计算机在处理某些复杂问题时,比传统计算机快得不可思议。
量子通信: 我们可以利用纠缠来安全地传输信息,任何窃听都会破坏纠缠,从而被立刻发现。
量子加密: 纠缠可以生成无法破解的密钥,确保通信的绝对安全。

总而言之,量子纠缠就是一种超乎寻常的关联,让两个(或多个)粒子在被测量之前,即使相隔遥远,它们的状态也是相互依赖、同步变化的。它们就像一对心有灵犀的舞者,无论相距多远,一个的舞步决定了另一个的舞姿,而且这种默契是如此之深,以至于在被观察的那一刻,它们的表演才真正“确定”下来。

网友意见

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三国时期,某年,曹操令司马懿、张辽挂帅兵分两路于汉中和荆州伐蜀,诸葛亮出汉中,刘备出荆州拒敌,诸葛亮到达汉中,远远见敌方大将乃是张辽,心中暗道不好,主公怎的遇上了司马懿?

好吧这是个瞎编的事情,简单说量子纠缠就是这么一回事儿。

诸葛亮为什么见到了张辽就知道刘备遇到的是司马懿?因为出兵的只有张辽和司马懿,如果诸葛亮遇到了司马懿,那么刘备就会遇到张辽,如果诸葛亮遇到了张辽,刘备就会遇到司马懿。

这就是诸葛亮和刘备虽然远隔千里,却也能第一时间知道刘备遇到的是谁。

那么,诸葛亮能不能依靠这种现象远隔千里给刘备送信呢?

当然不能,除非他们俩都带了手机。


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其实是你们逼我在四年后来写这个补充的。

显然,这个答案只是通俗的解释了一下量子纠缠究竟是个什么现象。而不是量子纠缠的原理

量子纠缠现象,重点在纠缠。正如

@Avanlanchion

所说,在我的这个例子里使用了出兵的只有司马懿和张辽来形成了纠缠的效果。量子纠缠的现象本质就是一句话可以解释。

当确定A的状态时,B的状态必然同时确定,无论A和B相距多远,这就是纠缠的本意。


那么量子纠缠是怎么被发现的呢?其实和薛定谔的猫一样,是另外三个大牛根据量子力学理论推演出来的抨击量子力学的一个事例。



在量子力学中,一个基本粒子的状态在测量之前是不确定的,他处于多种状态的叠加态,这种状态我们叫做量子态。那么爱因斯坦这个大牛就想到了,你说这个基本粒子的状态在测量之前不确定,那么我们让两个基本粒子联系起来,例如使用某个守恒律(角动量守恒)。使得两个粒子的状态纠缠起来(纠缠就是我上面所说的确定其中一个状态另一个立即确定)。

那么这个时候鬼魅的事情就会发生,当我们测量一个粒子的状态的时候,另一个粒子的状态也就同时被确定了(通过守恒律纠缠在一起)。这两个粒子之间难道会超距通信不成?既然不可能存在什么粒子之间的超距通信,那么量子态,也就是所谓的叠加态就是不可能存在的。

这,就是发现和提出量子纠缠状态的EPR佯谬


当然,这些补充资料已经无法做到真正的通俗了。事实上如果想要理解量子叠加态,必须先接受他,量子纠缠的超距作用已经被普遍接受,纠缠的基本粒子之间的确存在超距作用。

但是这些和量子纠缠的现象并无关系,量子纠缠的现象,和实质上是否存在隐变量,是否存在超距作用,没有任何关系

可惜很多人什么都不懂看了本书就到我的评论瞎逼逼。

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  • 通俗模式:

前面的回答已经很精彩了,我再稍微补充一点,因为关于量子纠缠的比喻有很多。中科大量子信息实验室的老大郭光灿院士曾经打过一个比方比喻量子通信,说在美国的女儿生下孩子那一瞬间,远在中国的母亲就变成了姥姥,即便她自己还不知道。之所以她是姥姥别人不是,而且她一定会成为姥姥,就是因为她和女儿之间有一种“纠缠”关系。@Ivony 打的比方的重点是:出兵的只有张辽和司马懿”,这句话相当于把张辽和司马懿“纠缠”到了一块,如果没有这句话,量子纠缠的意义就解释不清了。


  • 高深模式

通过量子比特EPR佯谬就能差不多理解量子纠缠的概念了吧。

1)量子比特:在经典信息系统中,信息单元是以一个位或者比特(bit)作为信息单元的。从物理学角度讲,比特是一个两态系统,如是或非、真或假、0或1等。在量子信息系统中,常用量子位或量子比特(qubit)表示信息单元,量子比特是两个逻辑态的叠加态。(叠加态的介绍详见@谭永 的回答

经典比特和量子比特的不同之处在于,它只能处于或,而量子比特可以处于和的任意叠加态。所以说,一个量子比特可以携带的信息量,要远远大于一个经典比特携带的信息,也就能理解为什么量子计算机的速度要远远超过现在的计算机了。

2)EPR佯谬:”EPR佯谬“是Einstein, Podolsky and Rosen(爱因斯坦、波多尔斯基和罗森)三人提出的一个假想实验。

这个实验的基本思想是:考虑一个由两个粒子A和B(称为EPR对)组成的复合系统,初始时它们的总自旋为零,各自的自旋为,随后两个两个粒子沿相反方向传输,在空间上分开。若单独测量A(或B)的自旋,则自旋向上(或向下)的可能概率为1/2,但若已测得粒子A自旋向上(或向下),那么粒子B不管测量与否,必然会处在自旋向下(或向上)的本征态上。

爱因斯坦等人认为:如果两个粒子分开足够远,对第一个粒子的测量就不会影响第二个粒子。EPR佯谬正是基于这种定域论的观点提出的。

然而玻尔则持完全不同的看法,他认为粒子A和B之间存在着量子关联,不管它们在空间上分开多远,对其中一个粒子实施局域操作,必然同时导致另一个粒子状态的改变,这就是量子力学的非局域性。随着量子光学的发展,越来越多的理论和实验支持了玻尔的看法,否定了EPR的观点。也就是说,量子纠缠是存在的,它和空间时间都没关系。

在量子力学理论中,人们习惯上将前面提到的半自旋粒子A和B(EPR对)的两个独立态(向上或向下)分别记为和,它们作为一个量子系统处于和的叠加态。

也就是说,对其中一个粒子测量,就会知道另外一个粒子的状态。

补充一下,在量子体系中,光子的正交偏振态,电子或原子核的自旋、原子或量子点的能级,等等这些存在两态(可以表示为1,0)的体系都可以用来制备“纠缠态”。(Schrodinger首先提出了“纠缠态”一词,它是指多粒子体系或多自由度体系的一种不能表示为直积形式的叠加态。)EPR对就是最简单的纠缠态。

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