终于有人把量子纠缠讲透了(可能是全网最简明的量子纠缠科普)

终于有人把量子纠缠讲透了(可能是全网最简明的量子纠缠科普)(1)

前两天有位朋友抱怨,说是看了很多学者关于量子纠缠的科普,但还是一头雾水,没有一个人真的讲明白的。

我就上网搜了几个看。确实,大多数科普要么是光顾着讲爱因斯坦和波尔打嘴炮的历史了,不讲物理;要么讲着讲着就开始上公式了,人家能看懂公式看你科普干嘛?还有些就是为了讲明白把模型太简化了,打的比方都是错的。

作为研究方向就是在量子纠缠领域的磕盐狗,我来试着用人话来给只有中学物理基础的朋友们,科普一下『量子纠缠』究竟是个什么。

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要搞清楚量子纠缠是什么,首先要对量子力学的世界观有了解。

现在我们来看一个科普中经常会出现的【错】的例子——手套。

这个例子是这样的:一对纠缠粒子就是一对手套,然后我把左手套放进一个盒子,右手套放进另一只盒子,然后把两只盒子在空间上分得很开。这时候我只打开其中一个盒子,发现里面是左手,就会知道另一边肯定是右手。

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很多科普会用这个打比方,说这个就是纠缠态。

这个时候大部分正常人都会觉得:这么简单?手套一左一右,这傻子也知道啊还要量子力学教我?

House听了都要留下八个大字,「量子力学就那么回事」。

实际上如果用量子力学来看这个例子,我们看到的世界应该是这样的。

我有一对手套,我知道其中肯定有一只是左手,另一只是右手。可是对于其中的一只手套来讲,它究竟是左手还是右手,我不知道,手套自己也不知道,no one really knows.

现在我把这两只手套分别放进两个盒子里。每一个盒子里,都有了一只变化莫测的手套,它既是一只左手套,也是一只右手套。

你只要闭上眼睛不看这个手套,这个手套就永远在摇摆,永远在左右为难。

你只有睁开眼睛看了,这个手套才会确定自己究竟是左是右。

这个听起来就非常玄学了——但这就是量子力学的世界观,一种概率性的世界,一种不确定的世界。粒子不是我们想象中处于某个位置的一个微粒,而是一个概率波,而当观测发生时,波函数才会塌缩到一个确定的态。

量子力学为什么敢这么讲,是有实验依据的,就是大名鼎鼎的杨氏双缝干涉实验。每次发出一个光子,让它经过有两条缝的挡板,在挡板后面探测光子会落在哪里。按理说这个光子肯定是从缝里穿过去的,不是从左走,就是从右边走,所以你应该看到光子聚集在两个地方,形成两条明亮的条纹。但是,实验结果显示你会看到的是明暗交替的很多条干涉条纹,不止两条。

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(如果光子是一个确定的微粒,结果应该是这样的)

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(实际的实验结果,显示了粒子的波动性)

这个结果说明每一个光子,它都是既从左边走,也从右边走,同时从两边经过。

这个用行话讲,叫『叠加态』。一个量子态就是一个概率波,波函数处于多个态的叠加态上。敲黑板,叠加态不是量子纠缠,叠加态描述的是一个粒子,同时处在多个状态上。而纠缠态至少要两个事物。

薛定谔的猫又死又活,就是一种叠加态。

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这么解释了一通,量子力学听起来就比较玄学了。

世界是一枚不停旋转的骰子,没人观察,骰子永不落下。

爱因斯坦是接受不了这个世界观的。因为这个太不经典了啊,经典世界就应该是一切都是客观存在的,不管你测还是不测,左手套就是左手套,猫活着就是活着,不会因为你看了猫一眼猫就死了,这个观点就叫【实在论】,客观存在的物理量不会因为你观测与否而变化。

爱因斯坦超级讨厌随机性,所以说了一句经典的『上帝不掷骰子』,还有和波尔一起散步的时候那句质问波尔的话:「难道我们不抬头看月亮,月亮就不存在了吗?」

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上帝:你在教我做事?

所以1935年他提出了纠缠这个概念来攻击量子力学(他质疑的只是量子力学的完备性,但是咱们普通人理解为攻击就可以了。当时他提出的量子纠缠是一种思想实验,文献里经常看到Gedaken experiment这个词,就是德语里面思想实验的意思。这篇论文是量子纠缠领域的开山之作,但其实文章是爱因斯坦(Einstein)的两个学生Poldosky和Rosen写了之后,没征求老板的意见,把老板的名字署在第一个就发表了,也是非常虎。所以爱因斯坦对这个paper其实意见很大,觉得这俩学生写的太不严谨了,这是题外话。这篇文章后世称为EPR佯缪,后面被引用了无数次,成为爱因斯坦人生最高引文章……)

他文章里考虑的模型是这样的:

你不是说一个粒子不测量就不塌缩吗?那我如果有两个纠缠的粒子就好了,纠缠之后就像两个手套一样,总是一个是左手一个是右手。然后我把他们分得非常开。然后我就测A,我看到了A是左手套,就知道了B是右手套。

诶这不是奇怪了吗?按你的说法每个粒子都应该是一种概率,不测量就不塌缩。我现在只观测了A,没观测B哦,为什么B的波函数塌缩到右手套上了。

你量子力学自己说手套是波函数,不测量不塌缩,可是现在A和B离开得那么远,你测了A,B也塌缩了。B是怎么知道自己应该塌缩了,操作或者信息怎么传到了B那里的?超光速的信息传递是违反相对论的啊。

看起来,量子纠缠的思想实验推导出来的结果,违反了经典的【定域论】:在某一点发生的事件,不可能立即影响到另一点,信息不可能比光速更快。

这不就是一个谬论了吗?

所以爱因斯坦基本是用量子力学的观点导出一个结论,反过来攻击量子力学。

思维严密,逻辑满分。爱因斯坦真的值得respect,就连杠别人,都要先站到别人的逻辑里面,以你量子力学之矛,攻量子力学盾。

这种质疑就非常有力了。

到这里,量子纠缠的概念就已经很清楚了。大白话说,就是一对某个性质永远关联(比如永远相同或者相反)的系统。比如一对手套,他们的性质是互相关联的,一左一右。

这个大家没有争议。

但是这种纠缠究竟是怎么发生的,各有各的说法。

一方是爱因斯坦为代表的【定域实在论】(他们名字虽然唬人,但是三观和我们普通人的直觉是一样的),他们认为:这对手套在分开之前就已经商量好了,谁是左谁是右,分开以后我们就再也不联系了,哥俩提前商量好的这个条件,就叫隐变量。隐变量理论是Bohm提出来的,一度成为当时的主流观点。

另一方是波尔为代表的量子力学,他们认为:这对手套只说好了一件事情——「咱俩得一左一右」。但是至于谁是左谁是右,没说好,不知道。因为上帝要掷骰子嘛。所以要等到我们观测的一瞬间,这俩手套才随即塌缩成一左一右——是被观测的那一瞬间才同时地、随便地、塌缩的。

所以可以这么理解,量子力学和隐变量理论争论的焦点就在于:哥俩究竟有没有提前说好。

这个就是长达几十年的隐变量之争论。

这个就很难搞了。因为你们这两种理论对应的现象是一样的,只是在争论俩手套有没有提前商量好——这让实验狗怎么验证呢?

然后贝尔就出现了!这个人是爱因斯坦的迷弟,看不惯波尔纠结一帮哥本哈根学派怼爱因斯坦,立志要帮哥哥出气,然后就埋头苦思,最后竟然搞出一个可以用来区别这两种理论的实验方案。

贝尔的方案的关键点在于:如果哥儿俩是提前说好的,之后就不用联系了,我再对其中一个进行操作,另一个就不知道了。但是如果是没有提前说好,那分开后,如果操作其中一个,另一个也会受到影响。

贝尔的方案当然更严密更精巧:利用一对偏振纠缠的光子对,把他们在空间上分开,并都通过一个偏振片。如果是隐变量理论的话,纠缠光子对中的其中一个光子通过一边偏振片的概率,和另一边的偏振片的角度没有关系。而在量子力学中,其中一个光子通过偏振片的概率,和两边的偏振片的角度都有关系。

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贝尔结合以上这种逻辑,推导出一个贝尔不等式来。

如果实验结果符合贝尔不等式,说明光子的偏振是在一开始就确定了的。而如果实验违反了贝尔不等式,那么证明虽然纠缠光子的属性是相互关联的,但却不是在一开始时就确定了的。

后来的故事大家都知道了—— John Clauser和Alain spect 的实验证明了,我们所处的这个世界是违反贝尔不等式的。

自1935年EPR佯缪文章问世后揭开的这场旷日持久的论战,随着2022年诺贝尔物理学奖的公布,似乎终于尘埃落定。

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其中,Clauser第一个设计实验来测量贝尔不等式,发现实验结果违反贝尔不等式。Clauser和Bell都是相信爱因斯坦的,谁能想到他俩一个做理论一个做实验,最后双剑合璧狠狠插了爱因斯坦一刀,真是造化弄人……

然后就是Alain Aspect,他是利用纠缠光子对严谨地证明了实验是违反贝尔不等式的。最后是Zeilinger,也是做了Bell test,以及是开创了量子隐形传态学科。

随着诺奖公布,隐参量理论退出历史舞台,非定域论取得胜利。但这不只是哥本哈根学派的胜利,而是整个物理科学的胜利。爱因斯坦的理论虽然被证明是错的,但他率先提出的量子『纠缠』的概念,则打开了新世界的大门。

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量子秘钥分发,是量子纠缠的一个典型应用

现在我们知道了,上帝不仅掷骰子,而且在我们看不见的地方掷;月亮只有当我们抬头看的时候才挂在天上,没人看她的时候,她同时出现在这个宇宙的每个角落。

而科学仍然在向前。

就在今年,我在的实验室刚完成了这样一个实验:我们在一团玻色爱因斯坦凝聚体中制备了纠缠,而后将它分为两团原子并在空间上分开。在分开的两团原子之间,我们观测到了EPR纠缠。

1935年爱因斯坦提出纠缠的概念用来质疑量子力学的完备性,87年之后的今天,人类第一次在两个多粒子体系之间观察到了这样的EPR佯缪。这证明了量子力学与局域实在论的矛盾,即使在更大、更宏观、更复杂的体系中依然存在。

量子力学能在宏观上走到哪里,现在还没人知道。

最后澄清一个问题,量子纠缠究竟能不能超光速地传递信息?

不能!量子纠缠传递的是无效信息,因为这两个粒子是纠缠的,纠缠的意思就是他们共享一个波函数,不是两个独立物体,所以你一测其中一个,整个波函数就坍塌了。

关于这个郭光灿院士有个很形象的比喻大概是这样的:有一对母女,妈妈和女儿两地分居。女儿怀孕生了小孩,在小孩出生的那一瞬间,远在千里之外的妈妈就自动升级成了外婆。这中间并没有信息传递给妈妈,是母女之间的这种关联,使得她在那一瞬间就成为了外婆。

最后的最后,再澄清一个问题,量子纠缠是不是证明了心灵感应?

不是!量子力学现在研究的都是微观粒子。两个大活人之间的心灵感应,属于情感范畴,需要看点征婚网站而不是科普文章。

以及现在关于量子力学的研究,都还只在实验室阶段。市面上任何你能见到的,带有『量子』两个字的产品,都和量子半毛钱关系都没有。各位爷叔姨婆,千万不要相信任何『量子记忆』,『量子波动速读』之类的产品,都是智商税!

好啦,今天的科普就到这里。

祝大家一切顺利,遇事不决,量子力学!

--阿璠的后花园

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