到底什么是“量子纠缠”(量子纠缠的通俗解释)

哼哈百家事 2022-10-09 10:43:05 投稿 浏览:323
量子纠缠也很“简单”,通俗地说,就是两个“纠缠”的量子,无论被分隔到多么遥远,都可以“保持联系”,并瞬时共享它们的物理状态。

“这些开创性实验不仅确认了量子力学是正确的还开启了第二次量子革命”

今年诺贝尔物理学奖“花落”量子力学。

北京时间10月4日17时45分,诺贝尔奖委员会公布了2022年物理学奖获得者:阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格,以表彰他们在“纠缠光子实验、确立对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”方面的成就。

2022诺贝尔物理学奖获得者:阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格

这两天,“诺贝尔物理学奖、量子纠缠、量子力学”这些名词,也一下子齐刷刷地登上搜索榜,今天,“量子纠缠”更是登上热搜榜首。

有的网友在感叹完全看不懂,也有人在努力给大家解释。

到底什么是量子纠缠?它与量子力学有什么关系?

2020年,我国量子计算机“九章”问世,200秒就能解决过去6亿年的计算,远超谷歌,成世界第一,厉害之处是构建了76个光量子的“量子纠缠”。

民间故事里有个“崂山道士”,他可以穿墙而过,你以为这是骗术?量子力学中,“穿墙术”竟然是真的,叫“量子隧穿”。

这些匪夷所思的概念背后,正是量子力学。

俗话说,“遇事不决,量子力学”,今天,从半导体到核聚变,从光合作用到DNA修复,量子力学是当代前沿科技和世界运行的底层逻辑。

连金融巨鳄索罗斯也把自己的家业叫作“量子基金”。与此同时,从“量子波动速读”到“量子算命”,从“量子推拿”到“量子治痛经”,大量的“量子+”骗局也大行其道。

量子世界,真的这么神奇吗?

是的,会彻底颠覆你的传统认知。而且,很有必要来一场“时空穿梭”,知晓真量子,鉴别假量子。接下来这篇文章是有点烧脑的,我们不得不进行善意的提醒。

如果不信,请看量子论创立者——普朗克在研究量子前后的对比照,把一个活脱脱的美少男变成了凌乱的毁容大叔。

左:研究前的普朗克,右:研究后的普朗克

01幽灵来了

时光倒流到1900年。 当时,世间万物从银河系的星空,到人类脚下的尘埃,都被牛顿的“万有引力”所驯服,安安静静、有条不紊地运行着。太阳系海王星的发现,更加固了牛顿力学的坚不可摧。人类已经自信地认为掌控了力、热、光、电、磁等所有自然的规律。 经典物理帝国,进入全盛时代。 1900年4月27日,伦敦天气,乍暖还寒。阿尔伯马尔街皇家研究所里,世界最有名的科学家们齐聚一堂。76岁的学术泰斗开尔文男爵发言了:“世界运行的一切原理都已经被发现了,物理学尽善尽美,再也不可能有任何突破性的进展了!But,物理学灿烂无比的天空中还飘浮着两朵乌云——‘以太问题’和‘黑体辐射’,未能得到解释。”气氛开始凝重起来,接下来如黑云压城、城欲摧。 这时,普朗克登场了。且说大学选专业的时候,颇有音乐天赋的普朗克,跟导师祖利说:“老师,我想学物理。” 老师说:“别,孩子,学物理不好找工作啊,它盛宴已过,没有空间了,何必浪费时间在上面呢?”普朗克说:“我就是感兴趣。”老师摇摇头:“哎,去吧,可惜德意志失去了一位优秀的音乐家。” 1900年时,钻研“黑体辐射”多年的普朗克已经42岁,过了不惑之年,还没找到答案。命运开始对他发笑,老师的话一语成谶,普朗克的物理前途似乎真的没多少空间了。 一天,百思不得其解的普朗克,干脆破罐子破摔,心想“我是否先不考虑背后的物理原理,而是在数学上先凑出一个‘黑体辐射’的公式?”于是,普朗克三下五除二,竟然真的蒙出来了!即著名的黑体方程和神奇的“普朗克常数(h)”。要说这“普朗克常数”有多厉害呢?在整个宇宙数字中可以排名前3,另两个是牛顿的万有引力常数G和相对论中的光速c。普朗克最重要的思想贡献是指出“能量在发射和吸收时,不是连续的,而是一份一份的”。这又有啥了不起的?你只需知道,该观念颠覆了伽利略、牛顿以来,关于一切自然现象是连续不断的论断。从此,不连续、不确定的世界观诞生了。而这一份一份的东西,普朗克称之为:

量子。12月,普朗克发表他的理论成果,如同打开潘多拉魔盒,释放了“量子”这个沉睡亿万年的幽灵,“量子力学”正式诞生。开尔文口中的一朵乌云,就这么引发了一场极微观的革命。 但是,此时的普朗克,并不能解释“一份一份的”能量,意味着什么。 道破天机者,此时还是个求职无门的小爱同学,5年后,他左手写出“光电效应”,解释了普朗克的困惑,成为量子论的另一开创者;他右手写出“狭义相对论”,赶跑了开尔文的另一朵乌云,掀起了极宏观的革命。(参见《牛顿啊,请原谅我》) 令人意想不到的是,量子思想是如此之离经叛道,普朗克和爱因斯坦,不久后将变成量子论的坚决反对者,革命者本人成了反革命者! 更令人意想不到的是,不认可量子规律,将成为爱因斯坦一生最大的“败局”。

0220世纪科学上最伟大论战

大家应该读过这么一首英国小诗:“一沙一世界,一花一天堂;双手握无限,刹那是永恒。”人们惊叹此诗的想象力。 但如果你回到1913年,28岁的丹麦青年玻尔大概率会告诉你:一沙一世界,这是真的。打个不严谨的比方,如果把原子这枚粒子,放大10的30次方倍,就相当于一个银河系;一个原子,包含了整个宇宙,是一个宇宙的“全息胚”。 这一年,玻尔提出原子构造模型,宣告了量子力学进入“青年时代”,他开创了著名的“哥本哈根学派”,成为全欧洲的学术中心。玻尔凭此成就,成为了量子界早期“三巨头”:普朗克、爱因斯坦、玻尔。

接下来,玻尔与爱因斯坦的大论战,是几个世纪来科学史上最了不起的论战。 1927年10月底,索尔维会议召开。 “索尔维”的名字你可能没听过,但是爱因斯坦、居里夫人、普朗克、玻尔、薛定谔、海森堡这些人你一定听过,他们都来了。下面这张合影,被称为人类历史上智商最高的一张合影,29人中共有17人获得诺贝尔奖。

1927年索尔维会议合影 他们分为三派: 一,哥本哈根一派,由玻尔领衔,支持者波恩、海森堡、泡利等; 二,爱因斯坦一派,支持者有德布罗意、薛定谔等; 三,实验派,暂且略过。 一群“小将们”就前沿物理问题唇枪舌战、你来我往几个回合之后,没有结论,互不买账。于是,讨论很快指向了幕后的真正大佬,爱因斯坦和玻尔的对决。自此往后,这场决斗延续了近30年,若干回合,直至两人先后去世。 来看其中最重要的三次交锋。

01第一次交锋:爱因斯坦攻击“海森堡不确定性原理”。

“不确定性”是量子世界的本质。假设你站在原子核上,把电子当作月亮,此时,你眼中的月亮将同时出现在所有位置,而且,月亮以各种速度在同时运动。在微观世界,“月亮”成了一团云雾,被称为“量子叠加态”。所谓叠加态,就好比你在听交响乐,在一组声波中,同时听到几种不同的乐器声。

图:电子叠加,来源:wikimedia commons

但这种观念,是对“确定性”和“因果律”的颠覆,冲击着爱因斯坦的信条。 一头乱发,掩不住爱因斯坦的自信。现在,他放大招了,用最擅长的招数——“思想实验”。他用弹簧和遮光板设计了一个“单缝实验”,轻松否定了不确定性原理(证明过程略去)。玻尔急忙召集哥本哈根学派的战友,一起吃饭,一起琢磨,准备“三英战吕布”。突然桌子一拍,“有了,爱因斯坦犯了前提错误。” 就是,你怎么能用宏观世界中的弹簧,去攻击微观量子世界的电子呢?爱因斯坦混淆了两个世界不同的运行规律啊。 爱因斯坦先输一回。

02第二次交锋:继续攻击“不确定性原理”。爱因斯坦吸取了上次犯低级错误的教训,重新设计了一个“光盒实验”,论证了同时可以测定光子的速度和质量,不确定性还是错了。 这一招,沉稳老辣。 在回宾馆的路上,爱因斯坦笑容满面,大步流星,而玻尔大惊失色,亦步亦趋,劝说道:“你可不能设计这个实验啊,否则,量子力学可就完蛋了。”(见下图)爱因斯坦说,走着瞧吧。

玻尔急忙召集本派的队友,再次一起吃饭,一起琢磨。憋了一晚,大腿一拍,“有了!你测重需要弹簧伸缩吧,根据你的广义相对论,弹簧一上一下,意味着高度不确定,也就是质量不确定,进而时间不确定。不确定性原理,还是对的!”玻尔这招叫做“以彼之道,还施彼身。” 爱因斯坦再输一回。

03第三次交锋:鬼魅般的超距作用1935年,爱因斯坦等人提出了一个“EPR佯谬”说法。 打个比方,假定爱因斯坦和玻尔两人形成了“量子纠缠”状态,情绪是相反的,玻尔开心,爱因斯坦肯定难受;玻尔难受,爱因斯坦肯定很爽。但是他们相距千里,一个在美国,一个在丹麦,如果你问了其中一人,就能瞬间断定另一人的心情好坏,有点像人们常说的“心灵感应”。爱因斯坦说,“这不可能,因为违反了我的相对论,任何物体(信息)都不能超光速,除非世间有‘鬼魅般的超距作用’。”这次,玻尔大腿拍肿了都招架不住,唯一能做的就是承认量子世界是一种超越空间的存在。直到他去世前,还画着与爱因斯坦的论战实验图。爱因斯坦暂且“赢”了。 因为几十年后,多国科学家(包括中国)用精巧的实验,反复证明了“鬼魅般的超距作用”的确存在!真是见鬼了。随机性和超距作用,是量子力学让人不得不接受的两个硬事实。 爱因斯坦有着严格的经典世界观,坚持探究世界的本源,认为“上帝不掷骰子”;而玻尔反击,“老爱,你不要告诉上帝该怎么做。”后者是一种“不要问我从哪里来”的世界观。如果请尼采来给两人当裁判,尼采也会宣布:“上帝死了。”爱因斯坦,死不瞑目! 冥冥之中,宇宙似乎是一个整体,任何一个行动都会立即影响到其他所有的事物,背后这个超越时间、空间感知的东西,叫做:“波函数”。有意思的是,写出量子运行波函数的是一位“撸猫”大师,现在,科学上最著名的“萌宠”要隆重登场了。

03薛定谔的猫

薛定谔是谁? 他是奥地利人,参加过一战,研究物理,还开创了现代生物化学。他的感情生活和猫一样神秘,沾花惹草,绯闻不断。 不可思议的是,他在1925—1926年的一段长达5个月的婚外情中,创立了“薛定谔波动方程”。这个方程有多牛呢?在量子力学中,地位相当于牛顿定律在经典力学中的地位,人称“情欲的大爆发”。

图:薛定谔创立波动方程之处——赫维格别墅,来源:《上帝掷骰子吗?》 有一天,薛定谔在家“撸猫”,竟然撸出了科学史中最好玩的思想实验: 假设把一只猫和一个量子装置关在盒子里。装置里有一个放射性原子和一个毒药瓶。如果原子衰变,就会把毒药瓶打破,把猫毒死;如果它不衰变,毒药瓶就不会破,猫就继续喵喵叫。

图:薛定谔和猫,来源:《宇宙探索未解之迷》科普片 打开盒子之前,由于原子处于衰变和没有衰变的叠加态,猫也处于死猫和活猫的叠加态。要注意的是,“既死、又活”只是一种状态,不是两种状态。 这怎么可能?没错,薛定谔也觉得不可能,他原本是用猫来反对前面玻尔一派的,即把微观世界的量子效应给放大到了宏观世界,矛盾自现,因为宏观中的猫怎么可能“既死、又活”呢?爱因斯坦看到这个实验后,非常高兴,写信给薛定谔说:“猫……以最优雅的方式驳斥了哥本哈根解释。”这一次,让玻尔够扎心的。 “悲剧”的是,几十年后的科学实验证明量子世界中,像“薛定谔的猫”这样的东西是存在的!于是,哥根本哈根学派还是主流。 爱因斯坦,又一次“死不瞑目”。 猫到底是死是活呢?打开盒子“测量”才知道。当你打开盒子的一刹那,“既死、又活”的状态就消失了,变成了或者死、或者活,一切回归正常,这个过程叫“波函数坍缩”。这个观念是不是有点熟?没错,中国先哲王阳明早就说过:“你未看此花时,此花与汝心同归于寂。你来看此花时,则此花颜色一时明白起来”,看来,我们老王也摸到了量子力学啊。如今,薛定谔的猫在大众中的人气一路飙升,成为“万能挭”、撩妹“神器”和量子力学代名词。它还与芝诺的龟、巴甫洛夫的狗、莎士比亚的猴、洛伦兹的蝴蝶、拉普拉斯的兽、麦克斯韦的妖,并称“科学界7大神兽”。

现代科学乃至科幻中很多好玩的概念都可以从“薛定谔的猫”出发。 比如:平行宇宙。“平行宇宙”理论解释:打开盒子的那一刹那,宇宙分裂了,成了两个不同的宇宙。其中一个宇宙中的你,看见了活猫;另一个宇宙中的另一个你,好奇害死猫。两种可能五五开。无数个你,活在无数平行世界里,经历着不一样的人生。

图:平行世界命运简图,来源:Pinterest 不可思议的是,平行宇宙可不是猜想,它有严格的数学证明来成立! 再比如:量子计算机我们知道,传统计算机的基础逻辑是二进制,要么是0,要么是1。但是,量子世界里,把光子做成“薛定谔猫态”,转变为“既是0,又是1”等多种叠加态,这有什么好处呢? 举个例子,现在,陆逊要破解诸葛卧龙的“八阵图”,如果他对“休、生、伤、杜、景、死、惊、开”八门一个个地试,要迷住很久才能解出来。但假如他像孙悟空一样分身叠加,每一个岔路都派一个分身同时去,只需要一次,就能找到出口,卧龙先生根本抵挡不住。这叫做量子叠加态的“并行”计算,大大提升战斗效率。所以我国的“九章”能将6亿年的计算缩短到200秒。量子,正在重构世界运行的底层逻辑。

04文明若毁,人类该留什么话?

猫活着,还是死去?这是个问题。 死后在这里,还是那里?这也是个问题。 跟薛定谔一个级别的量子学家海森堡,他写下了这样的墓志铭:“我长眠于此,但我已在别处。”这就是量子论,世界充满了不确定性。到了20世纪下半叶,现代量子力学的领军人物费曼提出一个更大胆的问题:如果文明将毁灭,人类该留下一句什么话?这句话要尽可能简洁,也要包含尽可能多的信息,后来者才能重造文明。费曼说,这句话应该是“万物由原子组成”。怎么理解呢?1986年,大卫·科波菲尔来到北京表演穿长城。借助幕布遮挡,他从长城的一边钻到另一边,上演了真实版的“崂山道士”,但这只是投影原理和视觉盲区的魔术,不是量子力学。

大卫·科波菲尔表演“穿”长城现实中,你在电梯里接听手机,电话很容易掉线,或者只有微弱的信号。这是由于电梯四周屏蔽了电磁波的信号,但这种屏蔽并不彻底,还是“放”了一丢丢信号进来,这是电磁波的“穿墙术”。进入量子世界。现在,两个带正电的原子核,之间因排斥力形成了一道无形的“墙”,原本,在强烈的碰撞下,才能打破“墙”,发生核聚变;实际上,因为“量子隧穿”效应,在动能不足、温度不高、概率极小的情况下,原子核施展“穿墙术”,核聚变也能发生。

于是,才有了太阳发光发热,哺育了世间万物。从水的形成,到光合作用,再到生命诞生,越来越多的自然现象,刨根问底下去,就一定会刨到量子力学。

那人到底能否穿墙? 根据薛定谔方程求解,理论上是可以“隧穿”的,但概率极低、极低、极低,他需要一刻不停地去撞墙,撞啊、撞啊、撞啊,从宇宙大爆炸之初撞到2022年,也很难撞出奇迹。 一个终极问题,宇宙的起源是什么?同样离不开量子力学。 坐在轮椅上的“爱因斯坦”——霍金说,宇宙开始之前,处于一个“量子叠加态”,它可以演变成无数种历史。突然,宇宙的“波函数坍缩”了,时间开始,暴胀发生。我们所在的宇宙,只是宇宙无数可能的中的一个而已。 主流的宇宙“暴胀理论”认为,广阔的真空中,量子涨落的一次偶然隧穿,让宇宙诞生之初经历一次超级猛烈的膨胀。

COBE卫星观测到的“宇宙微波背景辐射”分布图,称之为“上帝脸上的皱纹”。这项发现获得了2006年诺贝尔物理学奖,证明了宇宙大爆炸理论成立。 量子力学,可以“无”中生有。 可是,为什么我们日常看不到量子现象?科学实验已经发现,“薛定谔的猫”真的有叠加态,人也会有叠加态,只是发生了极快的“退相干”,你呈现的是粒子特征,波动特征消失了。所以“九章”量子计算机这样的宏观应用,关键一步就是防止“退相干”发生,要在严格的环境下“保鲜”才行。也许,量子世界的诸多怪异行为才是真实的日常,我们的确生活在一个不确定性的世界中。爱因斯坦说,“理论决定了你能观察到什么”。可怕的是,量子力学有十几种解释,世界只有一个真相,还是有无数个真相?本文的每一句话,可能都不是真相。 幸运的是,经过这次“量子”之旅,下次见到市面上什么“量子波动速读”之类的伎俩,你就不会觉得多么玄幻、多么高端了,这简直是侮辱智商啊,薛定谔的猫也会死不瞑目的!


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