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量子纠缠:光年之外的两个粒子为何能相互影响,对人类有何价值

2024-04-23科学

"遇事不决,量子力学",这话你一定没少听。它常常被网友们用来嘲笑那些科幻电影里的情节太过荒谬,好像啥问题都能往量子世界里一推了之。当然了,有时候笔者也会拿这句话自嘲一下,毕竟量子世界嘛,真的是个让人头疼的存在。

量子力学真是既神奇又充满神秘感,里面有好多现代科学都说不清楚的奇妙事儿。今天咱们就来一起看看这场量子力学里的炫酷表演——量子纠缠吧!

【充满科幻色彩的量子纠缠】

设想在宇宙中,有两个基础粒子如影随形,形影不离。你无法只了解其中一个粒子的特性而不涉及另一个,因为这两个粒子的关系紧密相连,探索一个必然意味着探索另一个。

哪怕这两个粒子相隔极远,远到得用光年来算距离,它们的特点也会融合成一个整体。要是改变其中一个,另一个也会跟着变。观测者看到其中一个粒子啥样,就能推测出另一个粒子的状态。

这简直让人难以置信,我们的观念完全被颠覆了。你知道吗,阳光从太阳传到地球都需要8分钟,但这两个粒子却能在瞬间完成传递,并实现了改变的复制。太神奇了!

物理学家们发现,量子纠缠这个神奇的现象,只在量子世界里出现,我们日常所知的经典力学里可找不到它的影子。这就像科幻小说里的高级概念,让人惊叹不已,但物理学家们还在努力探索,想要完全理解它为何会发生。

【物理学家是如何发现量子纠缠的?】

1935年,爱因斯坦和罗森博士、波多尔斯基研究员联手写了一篇论文,题目是【量子力学能否完整描述物理真实?】。

这篇论文是学术界最早探讨量子力学理论对强关联系统做出的出人意料预测的文章。三位物理学家聚焦在EPR悖论上,试图通过一个思维实验说明量子力学并不完备。然而,他们并没有进一步挖掘量子纠缠这一神奇现象的深层次特性。

然而,这篇论文却引起了另一位杰出物理学家的关注,他就是广为人知的薛定谔。

薛定谔读完这篇论文后,灵光一闪,马上把自己的想法写成信寄给了爱因斯坦。在信中,薛定谔首次用「纠缠」这个词来描述两个暂时耦合的粒子,即使不再耦合,它们之间仍然保持着某种神秘的联系。

薛定谔受到启发后,迫不及待地投入到研究中,并最终发表了一篇论文,对「量子纠缠」这一概念进行了详尽的阐述。他解释说,量子纠缠是量子力学的独特性质,它的存在使得量子力学与经典力学之间的界限变得泾渭分明。

虽然薛定谔强调了量子纠缠的重要性,但这似乎与相对论中光速作为信息传递速度上限的原则相冲突。因此,爱因斯坦将量子纠缠描述为「神秘且超越距离的相互作用」。

两个粒子之间怎么突然之间就传递过去了呢?许多物理学家都在琢磨这事儿。虽然他们做了很多实验,但好多都有问题。有时候,实验只能证明一个想法是对的,另一个就验证不了。

这就像以前科学家们对光的理解一样,他们发现光既不是纯粹的粒子也不是单纯的波,而是同时拥有这两种特性。现在我们也是这么认为的,光既有粒子性也有波动性。

虽然传递信息使用超强关联听起来不太可能,但大量的研究已经证实这是可行的,这就促使了量子密码学的诞生。

【研究现状】

2017年6月16日,墨子号量子科学实验卫星成功完成了一项实验。实验中,研究人员把两个纠缠的光子分隔开,距离达到1200公里。不过,即便它们相隔这么远,还是保持了量子纠缠的状态。这说明,无论距离有多远,这两个光子之间都存在着神秘的联系。

研究人员发现,两个粒子间传递的不是信息,而是量子密钥。简单来说,这就像我们用一个128位的密码锁来保护信息。为了分享这个密码,我们会生成128对量子粒子,把其中一半发给接收方。这样,接收方就有了和我们一样的密码,可以通过它来解密信息。这就是量子通信的基本原理。

这说明,相对论对于信息传递速度的理解依然准确,粒子之所以会出现这种现象,原因在于

这两个粒子就像是一对紧密相连的伙伴,一旦他们的整体状态被明确,那么你查看其中一个粒子的状态时,另一个粒子的状态也会立刻变得清晰起来。就像是两个同步的钟表,无论你看哪一个,另一个的状态都能立刻知道。

量子通信的实现将为人类科技传播带来巨大飞跃,具有极高的价值。令人振奋的是,8月22日,加拿大渥太华大学与意大利罗马第一大学的科学家展示了一种新技术,能够实时可视化两个纠缠光子的波函数,为量子通信的发展迈出重要一步。

这个成果有望推动量子技术更快地发展,改善量子态的描述、量子通信,还能帮助我们开发出新的量子成像技术。随着时间的推移,人类将逐渐揭开量子力学的神秘面纱,并将其应用到实际生活中。