处于量子纠缠状态的两个粒子,测量引起的自旋方向坍塌为什么是随机的呢?

  一旦深入到分子、原子领域,一些实验事实就与经典论发生矛盾或者无法理解。

  20世纪初物理学界遇到的几个难题

  • 电动力学中的“以太”:人们无法通过实验测出以太本身的运动速度
  • 物体的比热:观察到的物体比热总是低于经典物理学中能量均分定理给出的值

2.量子的稳定性问题——原子塌缩

  按照经典理论,电子将掉到原子核里,原子的寿命约为1ns

3.黑体辐射问题——紫外灾难

  按照经典理论,黑体向外辐射电磁波的能量E与频率v的关系为

  光照射到金属材料上,会产生光电子。但产生条件与光频率有关,与光的强度无关。

  • 造成以上难题的原因是经典物理学认为能量永远是连续的
  • 如果能量是量子化的,即原子吸收或发射电磁波,只能以“量子”的方式进行,那么上述问题都能够得到很好的解释

  量子力学的第一个诡异现象叫做态叠加原理和坍缩。就像干涉实验,量子力学的诡异就在于:你不观察它,它就处于叠加态,也就是一个电子既在A点又不在A点,你一观察,它这种叠加状态就崩溃了,它就真的只在A点或者真的只在B点了,只出现一个。

  电子在没有观察的时候,没有确定的状态。量子力学离不开意识,意识是量子力学的基础。

  电子双缝干涉实验:在实验中单个的电子可以同时穿过两条缝隙,在屏幕上留下干涉条纹,如果说这种特性可以用光既是粒子也是波的二重性来解释,那么接下来的实验结果就很难解释了。

  当科学家在实验中利用侦测仪器试图观察电子到底是如何同时穿过两条缝隙时,电子又表现出了粒子的特征,只是穿过了其中的一条缝隙,在屏幕上留下的不再是干涉条纹,而是点状的图像。

  这样的结果出乎了所有人的意料,就好像电子知道有人在观察它,观察这种行为可以影响电子的选择。(或许是观察的方位和仪器与观察的对象有冲突

  直到今天,电子双缝干涉实验的结果也没有完美的解释,其中有些科学家试图用“平行宇宙”(多重宇宙)的概念加以解释,说实际上电子的选择有很多种,而当我们观察时,其他的选择立即消失,只能呈现一种选择结果,但是其他的选择在其他平行宇宙也在上演,就犹如有无数个你存在于不同的平行世界,只不过在不同平行世界的人生会各不相同。第二就是量子纠缠,说的是两个相互纠缠的粒子可以相互感应到彼此,即使距离十分遥远,哪怕数光年,也能在瞬间感应到对方的变化并做出相应改变,速度远超光速。

第三就是量子隧穿。在宏观世界,你不可能直接穿过一堵墙,但在微观世界就不一样了,粒子有一定的几率能直接穿过障碍物。由于量子理论的描述与宏观世界的相对论格格不入,如何将两个大理论融合在一起成为物理学研究的圣杯,于是弦理论应运而生。

  量子理论表现出来的几个匪夷所思的现象确实是存在的,而这个理论也成为现代物理学家普遍接受的理论。但是理论中的电子双缝干涉实验和量子纠缠,让我们似乎看到了平行世界的存在,同时意识甚至可以决定行为的存在。

2.单体的叠加态:薛定谔的猫

  一个人和猫一起呆在盒子里,人有意识,意识一旦包含到量子力学的系统中去,它的波函数就坍缩了,猫就变成要么是死,要么是活了。也就是说猫是死是活,只要一个人的意识参与,就变成要么是死,要么是活了,就不再是模糊状态了

3.多体的叠加态:量子纠缠

  量子纠缠于“薛定谔的猫”是类似的,只不过“薛定谔的猫”讲的是同一个东西处于不同的状态的叠加,量子纠缠讲的是如果有两个以上的东西它们都处于不同的状态的叠加,它们彼此之间一定有明确的关系。这就是量子纠缠。

  量子力学现象的一个主要状态,就是量子纠缠

  • 波粒二象性,又称为波动粒子两重性,是指物体,小到光子、电子、原子,大到子弹、足球、地球,都既有波动性,又有粒子性
  • 频率为v的单色光波是由能量为E=hv的一个个粒子组成的,这样的粒子被称为光子,或光量子
  • 光子的粒子性——光电效应
  • 光子的波动性——光的衍射和干涉
  • 杨氏干涉实验和惠更斯衍射实验都表明了光的波动性
  • 光电效应又证实了光子的粒子性

3.电子与分子的衍射与干涉实验

4.波粒二象性既不是经典的粒子,也不是经典的波

5.物理意义:概率波与概率幅

一般粒子的波函数及其物理意义

  当粒子受到外力的作用时,其能量和动量不再是常量,也就无法用简单的函数来描述,但总可以用一个函数来描述这个粒子的特性,称其为粒子的波函数

  第一种解释:认为粒子波就是粒子的某种实际结构,即将粒子看成是三维空间中连续分布的一种物质波包。波包的大小即粒子的大小,波包的群速度即粒子的运动速度。粒子的干涉和衍射等波动性都源于这种波包结构。

  第二种解释:认为粒子的衍射行为是大量粒子相互作用或疏密分布而产生的行为。然而,电子衍射实验表明,就衍射效果而言,

  由此表明,对实物粒子而言,波动性体现在粒子在空间中的位置是不确定的,它是以一定的概率存在于空间的某个位置。

  由此,粒子的波函数又称为概率波。

保留经典概念的哪些特征 不具有经典概念的哪些特征
有确定的质量、电荷、自旋等
  • 即使要求波函数是归一化的,它仍然有一个位相因子的不确定性(相位不确定性)。如:常数c=eia,则Ψ(x,y,z)和cΨ(x,y,z)对粒子在点(x,y,z)附近出现概率的描述是相同的
  • 有些波函数不能(有限地)归一,如平面波

  波的干涉,衍射现象的本质原因是因为它满足叠加原理。微观粒子所显示的波动性表明:波函数也应满足叠加原理。

  量子力学的基本定律是波函数所满足的偏微分方程。这个基本定律在本质上是一个假说。

  几率守恒也就是粒子数守恒

的方程称为该算符的本征方程,常数称为本征值,方程的解称为(该算符的属于该本征值的)本征函数。所以定态Schrodinger方程也就是能量本征方程。

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受到爱因斯坦论文的启发,薛定谔进一步研究了EPR思想实验中的微观粒子之间所存在的独特关联,并最早用“”纠缠“一词来描述这种不同于经典关联的新的量子关联。他在1935年发表于《剑桥哲学学会会刊》的文章中说:"两个系统...由于它们已知的力开始暂时的相互作用,在一段时间的相互影响后再次分开,这时它们不再能像以前那样被描述,即赋予每个系统一个自己的表象。我不愿说这是量子力学的一个独特性质,而宁愿说这正是量子力学的独特性质,这种性质加强 了它与经典思考方式的背离。通过相互作用,这两个表象,或者说量子态,已经被纠缠起来。”这是“纠缠”一词第一次出现在物理学文献中。今天,量子纠缠已成为物理学中的一个流行词汇,并引发了一门新的交叉学科 -- 量子信息学的诞生。

关于“纠缠”一词,薛定谔在文章中用的是英语“Entanglement”,而很可能他最先想到的是德语“Verschrankung”(薛定谔是奥地利人,他的母语是德语)尽管这两个词都包含不可分离的意思,但它们还是有微妙的区别。前者主要用来描述丝和线的缠结,隐含混乱的意思;而后者则强调有序的折叠和交叉。所以我们谈论纠缠,就得分开两个或者更多个物体之间的关联。

两个相互纠缠的微观粒子存在这种非局域关联,对其中之一施加作用,另一个粒子瞬时“感应”到这种影响,并发生相应的状态变化,无论它们相距多远。按照我们的约定,在这门通识课里,我们采用硬币量子力学的版本(见前文),我们下面以两个量子比特(qubit)为例。

对于一个量子比特A,有两个自由度,无论从哪个方向去测量,自旋都会呈现出朝上或者朝下,它的本征态用狄拉克符号表示可以是|0>或|1>,


所以一个量子比特的量子态可以表示为这两个本征态的线性叠加: 

体现为当我们对A做投影测量, 结果得到|0>和|1>的几率分别是|α|^2和|β|^2, 且|α|^2+|β|^2=1。α, β为复数,一共用4个实数表示,但是由于归一化和总体相位不重要,那么4减去2,也就是2个独立实数就可以表示一个量子比特的量子态。


对于由两个相互之间没有关联的量子比特A和B组成的系统, 量子态可以表示为A和B各自量子态的张量积:

也就是说, 两个独立量子比特的状态可以用这组基底来线性表示:|00>, |01>, |10>, |11>. 换个说法系统是两个比特同时出现|0>,只有A或只有B出现|0>及两个比特同时出现|1>的几率线性叠加。我们先来考虑一下这个直积态的独立系数的个数。不难得到应该4个独立实数就可以表示两量子比特直乘态的状态。

但是我们考虑一个一般的双量子比特的状态为:

同样,我们4个复数构成了4个基底的任意线性组合,含有8个实数,考虑到归一化和总体相位不重要,减去2个实数,那么就是一般双量子比特量子态的表示需要6个实数。上面,我们提到,A和B要构成直积态,只需要4个实数,换句话说,不是所有的两比特量子态都是直积态。

那么我们把那些不能写成直积态形式的量子态叫做纠缠态。

任何一组二粒子状态都可以表示为这四组新的基态的线性叠加。这组基底是两个比特处在最大纠缠的状况下,两个比特的测量结果“一定相同”或者“一定不同”, 表现为这四种基态的一种, 它们也被称之为贝尔态。它得名于爱尔兰物理学家,著名的贝尔不等式的提出者约翰·斯图尔特·贝尔。

我这里可以这么说,随着量子比特数目n的增加,任意态需要2^n-2个实数表示,而直积态只需要2n个实数,可以写成直积态的比重会越来越少。那么如果你认为宇宙就是一个多量子比特的波函数,那么可以这么说宇宙就是纠缠的一锅粥。大概这也是时间单向的可能原因之一,详情见后文。

所以,我们开始给纠缠一个正式的定义。量子纠缠(quantum entanglement),是一种量子力学现象,其定义上描述复合系统(具有两个以上的成员系统)之一类特殊的量子态,此量子态无法分解为成员系统各自量子态之张量积(tensor product)。量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象,虽然粒子在空间上可能分开。在量子力学里,两个粒子在经过短暂时间彼此耦合之后,单独搅扰其中任意一个粒子,会不可避免地影响到另外一个粒子的性质,尽管两个粒子之间可能相隔很长一段距离,这种关联现象称为量子纠缠。

量子纠缠说明在两个或两个以上的稳定粒子间,会有强的量子关联。例如在双光子纠缠态中,向左(或向右)运动的光子既非左旋,也非右旋,既无所谓的x偏振,也无所谓的y偏振,实际上无论自旋或其投影,在测量之前并不存在。在未测之时,二粒子态本来是不可分割的。

所谓的纠缠度是指所研究的纠缠态携带纠缠的量的多少。对纠缠度的描述,实质上是对不同纠缠态之间建立定量的可比关系。纠缠状态所纠缠的粒子数量越多,对经典物理学的偏离越明显,获得有用量子效应的机会就越大。所以,在量子信息领域中,纠缠通常被看作是非局域的“信息源”。

于是,如何对纠缠定量化就显得十分重要。但对于两体纯态而言,纠缠熵仍是两体纯态唯一合理的纠缠度定义,其被定义为


我们往往把上述提及的贝尔态的纠缠大小作为一个单位1。对于多体纠缠度的描述的研究到目前为止仍没有得到真正的解决,人们仍未放弃寻找一种物理意义上更为鲜明、简单、易于求解的纠缠度的描述。

纠缠态之间的关联不能被经典地解释。而这种关联不难从不同态的期待值算出来。挑选其中的一个贝尔态,比如|Ψ-> = (|01> - |10>) / sqrt(2);不难算出,A比特每个分量的期待值为0。同理,B比特每个分量的期待值也一样为0。

该视频来自于Leonard Susskind所授的斯坦福大学公开课《量子力学》的截图。

然而,相同分量的A和B两个量子比特的期待值则不为0,也就是它们之间含有一定的关联,且这种关联与相互之间的距离无关,对A进行测量某一个分量,会影响到B的该分量值的确定。奇异的是,而不同分量的期待值为0。


该视频来自于Leonard Susskind所授的斯坦福大学公开课《量子力学》的截图。

量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题,并在量子计算和量子通信的研究中起着重要的作用。

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量子纠缠是指粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象,这种影响不受距离的限制,即使两个粒子分隔在直径达10万光年的银河系两端,一个粒子的变化仍会瞬间影响另外一个粒子。像光子、电子一类的微观粒子,或者像分子、巴克明斯特富勒烯、甚至像小钻石一类的介观粒子,都可以观察到量子纠缠现象。

量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象;在经典力学里,找不到类似的现象。假设,由两个粒子组成的复合系统处于量子纠缠,对于其中一个粒子做测量得到结果(例如,自旋为上旋),则另外一个粒子在之后任意时间做测量,必定会得到关联结果(在此案例里,自旋为下旋)。

量子纠缠的作用速度比光速还快。最近完成的一项实验显示,量子纠缠的作用速度至少比光速快10,000倍。这还只是速度下限。根据量子理论,测量的效应具有瞬时性质。1935年,量子力学理论的“老对手”爱因斯坦最先指出“量子纠缠”的“荒谬之处”,在他和波多尔斯基、罗森共同发表的论文里,针对量子力学理论进行了批判,认为量子力学并不完备。

根据量子力学的“不确定性原理”,处于纠缠态的两个粒子,在被“观测”之前,其状态是“不确定”的,如果对其中的一个粒子进行观测,在确定了这个粒子状态的同时(比如为上旋),另外的一个粒子的状态瞬间也会被确定(下旋)。这种鬼魅一般的“传递”作用不但有违常理,也“违背”了爱因斯坦的相对论,但这偏偏又是无可辩驳的事实,爱因斯坦据此认为量子力学仍然存在缺陷,是不完备的。

“上帝不掷骰子”,这是爱因斯坦的名言,也是他一直质疑量子力学之根基——“不确定性原理”的原因所在,爱因斯坦厌恶这种“不确定性”。他认为肯定还有更好的解释,甚至是更完美、更完备的理论来解释这一切。按照爱因斯坦的理论,刨除“不确定性原理”的量子纠缠现象该这么解释:如同两个黑箱子里面各放一只手套一样,在不打开其中的一个箱子前,不确定里面是哪一只,一旦打开一个箱子,在看到这只手套的同时,可立即确定另外一个箱子里的手套是哪只。即使这两个箱子在银河系的两端。

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