[名企话题] 神秘的量子纠缠! 这个世界很诡异!

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发表于 2017-10-12 22:44:23   126 查看 0 回复 显示全部楼层 倒序浏览
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2017年6月中国首次实现了从太空到地面的长距离光子运输。科学家们通过“墨子号”分别向青海德令哈站和云南丽江站发射光子,两个地面站相距1203公里。这远远打破了以前143公里的传输记录。
    最近港媒报道,科学家在合肥太湖边上开始打造世界第一台量子计算机。中国的科学家团队在量子纠缠研究上的突飞猛进正迅速扩大社会公众对这种高深莫测的粒子现象的认知度。

    “量子纠缠”可以预测相隔甚远的一对量子的状态,即便二者远在天涯,其行为也相互关联。量子纠缠,是量子力学里最古怪的东西,因为它能产生“鬼魅般的超距作用”。在未来世界里,人类或许能通过量子纠缠来实现“瞬间移动”,将人体或物体从一处传送到另一处。
    爱因斯坦生前常说,量子力学并非有误,它只是到目前为止还不够完备,还没有找出那些可以准确预测出事物的关键要素。
    尽管爱因斯坦如此评价,波尔仍然不为所动。尽管爱因斯坦说“上帝不掷骰子”,波尔则答复道:“别再告诉我上帝该怎么做了。”但在1935年,爱因斯坦认为他终于找到了量子力学的致命弱点。这事件诡异至极,它违反了宇宙中所有的逻辑,爱因斯坦认为这是能够证明量子力学不完备的关键——这就是“量子纠缠”。

波尔与爱氏之争
    史上最怪、最不合理、最疯狂、最荒谬的量子力学预测便是“量子纠缠”。量子纠缠是一种理论性的预测,它是从量子力学的方程式中得来的。如果两个粒子的距离够近,它们可以变成纠缠状态而使某些性质连接。出乎意料的是,量子力学表明,即便你将这两个粒子分开,让它们以反方向运动,它们依旧无法摆脱纠缠态。
    要了解量子纠缠有多么怪异,我们可以拿电子的“自旋”作例子。电子的自旋与陀螺不同,其状态总是游移不定的,直到你观测它的那一刻才能决定。当你观测它时,就会发现它不是顺时针转就是逆时针转。假设有两个互相纠缠的电子对,当其中一个顺时针转时,另一个就逆时针转,反之亦然。不过奇怪之处是它们并没有真正连接在一起。对量子理论坚信不疑的波尔和他的同事们相信,量子纠缠可以预测相隔甚远的电子对的状态,即便它们一个在地球,一个在月球,没有传输线相连,如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转,那么另一个在同一时刻必定是在逆时针旋转。换句话说,如果你对其中一个粒子进行观测,那么你不止是影响了它,你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴,而且这与两个粒子间的距离无关。两个粒子的这种怪异的远距离连接,爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。
    量子纠缠的神奇之处就在于,当你对其中一个粒子测量时,也会影响到另一个粒子的状态,尽管二者之间没有作用力、滑轮或电话线之类的东西相连,没有任何方法可以彼此沟通。这真是诡异至极啊!
    爱因斯坦无法相信纠缠会如此运作,于是他说服自己:出错的是数学,而不是现实。他赞同纠缠态的粒子是存在的,但他认为有更简单的方式可以解释为什么它们彼此连接,而不必涉及神秘的超距作用。他坚信一对纠缠态的粒子更像是一双手套。想象把一双手套分开放置于两只箱子中,然后一只箱子交给你保管,另一只箱子则放置于南极洲,在你开箱以前就知道箱子里放着左手或右手的手套。然后你打开箱子,如果看见左手的手套,在这瞬间,就算没人看过南极洲的箱子,你也能够知道那里装的是右手的手套。这一点也不神秘,你打开箱子,显然不会影响到另一只箱子里的手套。你身边的这只箱子装着左手的手套,而南极洲的那只箱子则装着右手的手套,这是在当初分装时就已决定了的。爱因斯坦相信,所谓的纠缠态只不过如此而已,电子的一切状态在它们彼此分离的时候就已经决定了。
    波尔和爱氏,到底谁对谁错呢?波尔所拥护的量子力学方程式表明,相互纠缠的粒子即使相距很远,也可以互相连接;而爱因斯坦则不相信有鬼魅般的连接,而认为在你观察以前,一切就已经决定了。爱因斯坦称,粒子在被观测前就已经决定了自旋状态。你对爱因斯坦说“那你怎么知道呢”,他会说“你测量它,就会发现那绝对的自旋态”。波尔则会说“但是那自旋的状态是由于你的观测所造成的”。当时,没人晓得怎么去解决这个问题,于是这个问题被认为是哲学问题,而不是科学问题。1955年,爱因斯坦逝世前仍旧相信量子力学是个不完备的理论。

克劳泽的验证
    1967年,在美国哥伦比亚大学,爱因斯坦挑战量子力学的任务由一位年轻人承接下来了。当时,约翰·克劳泽(John Clauser)正在寻找天文物理学博士论文的课题。在读了一篇鲜为人知、由爱尔兰物理学家约翰·贝尔(John Bell)所写的论文后,克劳泽认为自己找到了验证谁对谁错的实验方法。在这篇论文中,贝尔已经发现如何验证纠缠态的粒子究竟是用鬼魅般的作用来沟通,抑或是根本就没有什么鬼魅,粒子的状态就像是成双的手套那样早就已经决定了的。贝尔甚至巧用数学运算,证明了如果这鬼魅般的作用不成立,那么量子力学就正如爱因斯坦所想的那样,是错的。贝尔是个理论物理学家,他的论文表明只要你能够建造出一种仪器,能够大量制造并比较纠缠态的粒子,这个问题就可以被解决。
    按照贝尔在论文中的想象,克劳泽设计出了能够平息这场争论的仪器。“那时候我还只是个笨手笨脚的研究生,便很幸运地有了一个机会来发现能够震撼全世界的结果。”克劳泽的仪器可以测量数以千计的纠缠粒子,然后比较它们的自旋状态,但随着结果逐渐揭晓,克劳泽感到惊讶并为此不悦。“我不断地问自己:我哪里做错了吗?”克劳泽反复重复了自己的实验。不久后法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)进行了更明确的测试,得到了更加确定的结果,消除了一切疑问。
    克劳泽与阿斯佩的结果相当惊人,他们证明了量子力学的方程是正确的,纠缠是真实的,粒子可以跨越空间连接——对其一进行测量,确实可以瞬间影响到它远方的同伴,仿佛跨越了空间限制。爱因斯坦生前认为不可能的“鬼魅般的超距作用”,确实存在。“我再次为自己没有推翻量子力学而感到难过,因为无论是在当时还是现在,要我理解量子力学都是很困难的。”克劳泽说。

瞬间移动技术
    量子纠缠,是量子力学里最古怪的东西。即使我们无法领会它,也不要问这是为什么,我们只能说,世界显然就是如此运作的。倘若我们能够接受世界原本就是如此古怪的事实,那么我们能否利用这种“鬼魅般的超距作用”来做些有用的事情呢?好吧,梦想之一就是实现“瞬间移动”,将人体或物体从一处传送到另一处,而不需要经过中间的空间。
    美国科幻剧《星际迷航》总是在用“瞬间移动”方法,把人从一处送到另一处。不过这是科幻,量子纠缠能使梦想成真吗?事实上,瞬间移动的实验早就在非洲加那利群岛的海岸边进行了。“我们之所以选在加那利群岛做实验,是因为这里有两座天文台,这样的实验环境很棒。”维也纳大学的实验物理学家安东·蔡林格(Anton Zeilinger)说。蔡林格的传送对象不是他自己或其他人,他试图利用量子纠缠来传送单一微小的粒子,在此例中是光的粒子,即光子。他先在拉帕尔玛的实验室中制造出一对纠缠的光子,将其一留在拉帕尔玛,另一个则用激光发送到140公里外的特内里费岛上。蔡林格再追加第三颗要被传送的光子,让它与留在拉帕尔玛的纠缠光子互相作用。研究团队再将这两个光子的量子状态作出比较,神奇的事就发生了。由于鬼魅般的超距作用,团队能够利用这项比较来将远方岛上的纠缠态光子转变为与第三颗光子相同的东西,仿佛第三颗光子瞬间超越了海洋一样。
    “这就像是取出了原本光子的信息,然后在远方重建它。”使用这种技术,蔡林格已经成功传送了几十个光子。
    如果将这种技术继续发展下去会如何呢?既然我们的身体也是由粒子所组成的,这项技术未来能否用来传送人体呢?假如你人在上海,却想去巴黎吃顿午餐,那么理论上,量子纠缠在未来可以使之实现。你只需要在上海把自己变成一群粒子,并使它们与巴黎的另一群粒子纠缠。
    想象一下遥远未来的某一天,在上海,你走进一个透明的圆筒状扫描舱中,装置便开始击碎你的身体,将其分解成为基本粒子,并扫描每一个粒子;与此同时,位于巴黎的一个扫描舱也对其中的粒子进行扫描,列出上海与巴黎两组粒子的量子状态对照表,接着加入了纠缠效应。随后,操作员将量子状态对照表传送到巴黎,在那边用这张表来重建你身体粒子的确切量子状态。由于鬼魅般的超距作用,另一个你就在巴黎成形了。这并非是你身体的粒子从上海移动到了巴黎,而是量子纠缠允许你的量子状态可以在上海被撷取,于是你的复制品到了巴黎。在巴黎成形的那位的确是你,因为在上海测量所有粒子的状态时,就已经摧毁了原来的你。
    就目前的技术而言,我们离人体“瞬间移动”还很遥远,但这样的展望仍然会引发我们的深思。显然,位于上海与位于巴黎两处的你是毫无差异的,因为根据量子力学,让你成为你的不是物理粒子,而是这些物理粒子中所包含的信息,而构成你身体的几百万兆个粒子中的信息都可以被传送。不过你或许仍然会问:巴黎那边的我真的是我吗?
    蔡林格认为:“这是一个深刻的哲学问题。到达接收站的个体究竟是不是本来的个体?我所说的‘本来’的个体,应该是含有原本个体的所有特性,如果是这样的话,那么就可以算是‘本来’”。
    不过,人的情感却往往是非理性的。克劳泽就曾说过:“我可不想踏进那机器里一步。”

真有鬼?
一百多年前,大部分科学家还认为原子由原子核和电子组成,而电子绕着原子核老老实实的做圆周运动,就像行星绕太阳一样。然而量子力学的建立对这样的思想说“不”,微观世界并不是这样的!
    如果在原子级别甚至比原子还小级别的粒子上“切割”一下,把一个粒子“切割”成两个或者更多的小粒子,那么“切割”后的粒子就组成了纠缠粒子系统。它们就像是同一个妈生的儿子们,这些粒子们本来是属于同一个,然而通过某些技术手段被搞成了两个甚至更多的小粒子。那么这些小粒子就有一个特性——“心灵感应”。
    比如把A粒子轰击成甲乙两个更小的粒子。那么甲乙这两个粒子就开了挂一样,即便相距多么遥远都会感应到彼此,而且还是瞬时完成的。打个比方,如果甲乙粒子都在旋转,我们把它们放在不同的盒子里,如果揭开甲粒子的盒子,发现甲粒子是顺时针旋转,那么我们就瞬间知道乙粒子是逆时针旋转。如果我们先揭盖乙粒子的盒子,发现乙粒子是逆时针旋转,也就瞬间知道甲粒子是顺时针旋转!这个粒子对总是能相互跟从,同时响应,这就是纠缠现象。
    理论上,制造8对纠缠粒子,再把每一对纠缠粒子分开,这8对粒子就可以进行每次一个字节的通信,并且不担心时空障碍。中国科学家已经实现的是在千公里级别上的量子纠缠。
    别问我为什么量子会纠缠,如果我知道,就不会在这儿搬砖了。并且地球上还没有人知道为什么,目前的物理学不能回答。但是人类在彻底理解这个宇宙之前,能充分利用它,也就足够了。
    量子纠缠现象触及了现阶段人类对粒子认识的底部,它能让一个彻底的唯物主义者变成唯心主义者。欧洲希望用其惯用手段,穷尽粒子分析,制造粒子加速器,希望轰出个粒子起源,希望用8个粒子来解释,然后又要用64个粒子来解释,但所需能量似乎己触及人类能力的天花板。所以杨振宁说,粒子研究,要另辟蹊径。
    看来,一定要动用老祖先的易经八卦来解释了吗?

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