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標(biāo)題: 到底什么是量子糾纏態(tài)與貝爾不等式,？ [打印本頁]
作者: Callejon 時(shí)間: 2022-10-8 16:12
標(biāo)題: 到底什么是量子糾纏態(tài)與貝爾不等式,？
北京時(shí)間10月4日下午5點(diǎn)45分,，物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、約翰·克勞澤（John F. Clauser）和安東·塞林格（Anton Zeilinger）,，一同被瑞典皇家科學(xué)院授予了 2022 年度諾貝爾物理學(xué)獎,，以表彰他們“通過光子糾纏的一系列實(shí)驗(yàn)，打破了貝爾不等式的限制,，并開創(chuàng)了量子信息的研究領(lǐng)域”,。
這三位頂級科學(xué)家中，阿蘭·阿斯佩來自法國,，目前任教于巴黎-薩克雷大學(xué)和巴黎綜合理工學(xué)院,；約翰·克勞澤來自美國，目前就職于自己在灣區(qū)核桃溪市創(chuàng)辦的一家公司,；安東·塞林格是奧地利維也納大學(xué)的一名教授,。他們?nèi)藢⑵椒?1000 萬瑞典克朗（約合人民幣 650 萬元）的獎金。
那么,，量子糾纏指的是什么,？貝爾不等式的意義何在？三位諾獎得主分別做出了什么貢獻(xiàn),？本文將用通俗語言嘗試回答這些問題,。
關(guān)于量子糾纏與 EPR 佯謬
“量子糾纏（Quantum Entanglement）”這一術(shù)語最早由埃爾溫·薛定諤提出，他稱之為量子力學(xué)最重要的特征,。用物理的語言來說,，對于一個(gè)處于糾纏態(tài)的多粒子系統(tǒng)，其量子態(tài)函數(shù)不能分解成各個(gè)部分的量子態(tài)的乘積,。通俗的講,，量子糾纏指的是在空間上分開的兩個(gè)或多個(gè)粒子，由于某種相互作用,，使得各個(gè)粒子所擁有的信息或物理性質(zhì)成為了整體特性而無法分離,。
舉例來說，單個(gè)電子隨機(jī)地具有兩種可能的自旋模式,，即所謂的“向上”或“向下”,，而處于糾纏態(tài)的電子對（例如氦原子核外的電子），無法做到只測量其中一個(gè)電子的自旋而不影響另一個(gè),，即單個(gè)電子的量子態(tài)無法從整體中剝離而不造成其他影響,。
圖 | 兩粒子的量子糾纏概念圖（來源：諾貝爾官網(wǎng)）
根據(jù)量子理論，當(dāng)觀測者對糾纏態(tài)的電子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量時(shí),，如果其中一個(gè)電子的測量結(jié)果（隨機(jī)地）呈現(xiàn)自旋向上,，那么另一個(gè)電子立刻變成（確定地）自旋向下，即使沒有人在測量它,，反之亦然,。而且這個(gè)現(xiàn)象跟兩個(gè)電子的距離無關(guān),！換句話說，即使兩個(gè)電子分別位于銀河系的兩端,，只要測量了其中一個(gè)的自旋,，另一個(gè)的自旋狀態(tài)就確定了，即一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以立刻影響另一個(gè)的結(jié)果,。
但問題是,，一個(gè)電子如何瞬間獲知遙遠(yuǎn)的另一個(gè)電子的自旋狀態(tài)，從而選擇讓自身的自旋保持相反呢,？他們之間是否能夠通過某種超距作用（即傳播速度無窮大的相互作用）傳遞信息,？如果承認(rèn)這種“幽靈般的”超距作用的存在，就違背了狹義相對論的時(shí)空觀,。這就是著名的 EPR 佯謬（Einstein-Podolsky-Rosen Paradox）核心思想所在,。
愛因斯坦等人試圖利用該佯謬否定量子力學(xué)的完備性，進(jìn)而提出了一種稱為隱變量理論的量子力學(xué)的替代描述,，其基本思想是：量子體系中存在某種隱藏變量,，實(shí)驗(yàn)觀測的結(jié)果能夠由該隱藏變量決定，而非量子力學(xué)描述的那樣隨機(jī)出現(xiàn),。
關(guān)于貝爾不等式和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
量子力學(xué)提出,，糾纏態(tài)量子體系中的各部分在實(shí)驗(yàn)測量之前不存在確定的可觀測性質(zhì)，而隱變量理論指出,，存在某種隱藏屬性使得我們可以在實(shí)驗(yàn)測量之前就確定測量結(jié)果,。雙方爭執(zhí)不下，誰也說服不了誰,，直到貝爾不等式的出現(xiàn),。
圖 | 量子理論與隱變量理論的區(qū)別示意圖（來源：諾貝爾官網(wǎng)）
約翰·貝爾基于隱變量理論，于 1964 年提出了后來以他名字命名的著名不等式,。該不等式指出,，對于任意的定域?qū)嵲诶碚摚ň幷咦ⅲ核^的“定域?qū)嵲凇笨梢岳斫鉃椋粋�(gè)微觀粒子只在空間局部具備其物理特性并決定任意測量操作的實(shí)驗(yàn)結(jié)果）,，粒子間的某種相關(guān)函數(shù)的值不會超過一個(gè)固定上限,。貝爾提出了一個(gè)可以驗(yàn)證該不等式的思想實(shí)驗(yàn)，并且證明了量子理論一定會違反這個(gè)不等式,。
接下來就輪到今年三位諾獎得主之一的約翰·克勞澤出場了,。
由于貝爾考慮實(shí)驗(yàn)時(shí)對探測器采取的一些假設(shè)很難得到驗(yàn)證，因此他提出的原始思想實(shí)驗(yàn)并不適合進(jìn)行實(shí)際測試,。直到1969年,，克勞澤及其合作者對貝爾不等式進(jìn)行了改進(jìn)，使得其容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，并提出了一種實(shí)驗(yàn)裝置（示意圖如下圖）,。
圖 | 克勞澤提出的貝爾不等式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖（來源：諾貝爾官網(wǎng)）
在該實(shí)驗(yàn)中，光源 S 持續(xù)產(chǎn)生向相反方向傳播的,、處于偏振糾纏態(tài)的光子對,，Alice 和 Bob（編者注：這兩個(gè)名字廣泛用于量子信息領(lǐng)域，指代兩個(gè)觀測者）分別利用特定的探測器觀測光子的偏振態(tài),，并統(tǒng)計(jì)得到觀測結(jié)果的關(guān)聯(lián)函數(shù),。克勞澤發(fā)現(xiàn),，實(shí)驗(yàn)結(jié)果超過了貝爾不等式給出的關(guān)聯(lián)函數(shù)的上限,，因而該實(shí)驗(yàn)是對隱變量理論的否定。
然而,，克勞澤的實(shí)驗(yàn)裝置存在所謂的“定域性漏洞”,，無法排除Alice和Bob之間存在信息交流的可能。這也給了阿蘭·阿斯佩（即今年第二位物理諾獎得主）大顯身手的余地,。
1982 年,，阿斯佩等人改進(jìn)了克勞澤的貝爾不等式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，區(qū)別在于新的實(shí)驗(yàn)裝置能夠更頻繁的發(fā)射糾纏光子對,，并且偏振測量裝置可以在實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)調(diào)整,，因而部分地修補(bǔ)了定域性漏洞。他們發(fā)現(xiàn),，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然違反貝爾不等式,。
在 1998 年和 2015 年，安東·塞林格團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步完善了貝爾定理實(shí)驗(yàn),，先是徹底消除了定域性漏洞（因?yàn)榘⑺古宓膶?shí)驗(yàn)裝置仍然無法排除 Alice 和 Bob 距離太近造成的關(guān)聯(lián)）,，而后實(shí)現(xiàn)了無漏洞的貝爾不等式實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果均與量子力學(xué)的預(yù)測一致,，為隱變量理論和量子理論之爭畫下了句號,。
此后多年，塞林格團(tuán)隊(duì)利用糾纏態(tài)的光子進(jìn)行了更多實(shí)驗(yàn),，并且還利用量子糾纏特性展示了“量子隱形傳態(tài)”和“量子糾纏交換”等奇特現(xiàn)象,。在“糾纏交換”實(shí)驗(yàn)中，塞林格團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),，在兩對不相關(guān)的糾纏態(tài)粒子對中,，如下圖中的 1-2 和 3-4，如果能讓 2 與 3 糾纏,，則1與4也會自發(fā)處于糾纏態(tài),。
圖 | 量子糾纏交換現(xiàn)象的示意圖（來源：諾貝爾官網(wǎng)）
塞林格通過一系列的這些實(shí)驗(yàn)，從原理上驗(yàn)證了對量子態(tài)進(jìn)行傳輸?shù)目赡苄裕_創(chuàng)了量子信息這一學(xué)科領(lǐng)域,。
作者: 林一丿 時(shí)間: 2022-10-8 17:03
我為什么會點(diǎn)進(jìn)來,？一臉懵逼的進(jìn)來，一臉懵逼的出去
作者: tzcaokun 時(shí)間: 2022-10-8 19:12
我為什么會點(diǎn)進(jìn)來,？一臉懵逼的進(jìn)來,，一臉懵逼的出去+1
作者: 而得 時(shí)間: 2022-10-8 20:05
看完了，還是懵逼
作者: shentu 時(shí)間: 2022-10-8 22:49
我為什么會點(diǎn)進(jìn)來,？一臉懵逼的進(jìn)來,，一臉懵逼的出去
作者: 時(shí)間不多多益善 時(shí)間: 2022-10-9 08:48
我就是來看看有多少人能看懂
作者: UCHIHASASUKE 時(shí)間: 2022-10-9 09:02
一個(gè)男的糾纏一個(gè)女的就見過
作者: 熱青茶 時(shí)間: 2022-10-9 09:04
懵逼就對了
這是老愛和玻爾的世紀(jì)之爭，最終證明玻爾是對的,。不過證明的時(shí)候,，兩人都已去世。愛對此有一句最著名論述“上帝不會擲骰子”,。因愛相信任何信息傳遞不可能超光速,，這也是相對論的基石，但量子糾纏的超距作用似乎明顯是違背這一理論的（說明一下,，到目前為止相對論還是正確的,，量子超距作用傳遞的是非物質(zhì)信息，所以可以超距）,。同時(shí)這也動搖了唯物主義的根基,，而愛說的“上帝”是乎真的存在，并且好象投了色子,，物質(zhì)是以概率形式存在的,，是統(tǒng)計(jì)學(xué)上的意義。
兩朵烏云,。
作者: PNjie 時(shí)間: 2022-10-9 13:59
嗯嗯嗯,，對對對
作者: zhbzhbqqq 時(shí)間: 2022-10-9 14:41
學(xué)習(xí)了
作者: walkerqi 時(shí)間: 2022-10-9 14:46
作者: money 時(shí)間: 2022-10-10 16:30
在這混的人都在裝模作樣的說對。
作者: maguoqiang 時(shí)間: 2025-1-18 09:42
2024年,，中國科研團(tuán)隊(duì)搞了個(gè)大動作,，成功測量出量子糾纏的速度，記錄為232阿秒,。
這個(gè)數(shù)字聽起來好像很短,，但實(shí)際上更短。
說實(shí)話,，已經(jīng)快得讓你腦袋發(fā)暈的機(jī)會都沒有,。
要知道，1阿秒就是一秒的百億億分之一,，比眨眼的時(shí)間還要短上幾十億倍,。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)一下子就把量子物理這個(gè)高深莫測的領(lǐng)域拉近了我們的生活,。
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