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量子纠缠  

2015-12-22 07:53:47|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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定义

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。[1] 
纠缠是关于量子力学理论最著名的预测[2]  。它描述了两个粒子互相纠缠,即使相距遥远距离,一个粒子的行为将会影响另一个的状态[2]  。当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化,另一颗也会即刻发生相应的状态变化[2]  。
尼尔斯·玻尔将量子纠缠称为“鬼魅似的远距作用”(spooky action at a distance)[2] 。但这并不仅仅是个诡异的预测,而是已经在实验中获得的现象,比如科学家通过向两个处于室温的纠缠的小钻石发射激光(图中绿色)[2]  。科学家希望能够建造量子计算机,利用粒子纠缠进行超高速计算[2]  。
在物理学中,量子纠缠是指存在这样一些态:一、A,B,C,…,在t<
时,这些态之间不存在任何相互作用;二、当t>
时,它们的状态由Hilbert空间(希尔伯特空间)HA,HB,HC...,中的矢量| Ψ(t)>A,| Ψ(t)>B,| Ψ(t)>C,…所描述,由A,B,C空间构成的量子系统ABC则由Hilbert空间HABC...=.HA ×HB ×HC...中矢量| Ψ(t)>A,| Ψ(t)>B,| Ψ(t)>C所描述,则这样的态被称为比Hilbert空间的直积态。否则称态| Ψ(t)>A,| Ψ(t)>B,| Ψ(t)>C,.…是纠缠态。也就是说,如果存在纠缠态,就至少要有两个以上的量子态进行叠加。
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。

现象解释

量子纠缠所代表的在量子世界中的普遍量子关联则成为组成世界的基本的关联关系。或许用纠缠的观点来解释“夸克禁闭”之谜。当一个质子处于基态附近的状态时,它的各种性质可以相当满意地用三个价夸克的结构来说明。但是实验上至今不能分离出电荷为2e/3的u夸克或(-e/3)的d夸克,这是由于夸克之间存在着极强的量子关联,后者是如此之强,以至于夸克不能再作为普通意义下的结构性粒子。通常所说的结构粒子a和b组成一个复合粒子c时的结合能远小于a和b的静能之和,a或b的自由态与束缚态的差别是不大的。而核子内的夸克在“取出”的过程中大变而特变,人们看到的只能是整数电荷的介子等强子。同一个质子,在不同的过程中有不同的表现,在理解它时需要考虑不同的组分和不同的动力学。一个质子在本质上是一个无限的客体。实质上整个宇宙是一个整体的能量惯性体系包括实在的粒子和空间,由于能量惯性的存在,整个能量体系时刻按一定的能量运动规律运动,宇宙中的每一个粒子作为宇宙能量的一分子它本身的能量惯性状态始终与宇宙环境保持一致即能量的稳定性,它们的电磁能量波始终存在着相互作用。当俩物质粒子同时处于某一状态即尽量使之处于基态或能量控制编码态,它们在相互作用时产生了电磁能量惯性互动及量子纠缠现象。因此,物质具有能量然而人们只能从物质的相互作用中获得并得到利用。[3] 

公式表达

1935年,爱因斯坦波多尔斯基罗森( Einstein, Podolsky and Rosen) 等人提出一种波,其量子态:
其中x1,x2分别代表了两个粒子的坐标,这样一个量子态的基本特征是在任何表象下,它都不可以写成两个子系统的量子态的直积的形式:
这样的量子态称为纠缠态。

量子描述

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,它仍是两体纯态唯一合理的纠缠度定义。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。

量子特点

量子力学是非定域的理论,这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实,因此,量子力学展现出许多反直观的效应。量子力学中不能表示成直积形式的态称为纠缠态。纠缠态之间的关联不能被经典地解释。所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。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,并在量子计算量子通信的研究中起着重要的作用。
多体系的量子态的最普遍形式是纠缠态,而能表示成直积形式的非纠缠态只是一种很特殊的量子态。历史上,纠缠态的概念最早出现在1935年薛定谔关于“猫态”的论文中。纠缠态对于了解量子力学的基本概念具有重要意义,已在一些前沿领域中得到应用,特别是在量子信息方面(例如,量子远程通信)。我国科学家潘建伟已经成功的制备了8粒子最大纠缠态。[4] 

理论发展

理论产生

从19世纪末到20世纪初,量子力学快速发展并完善起来,解决了许多经典理论不能解释的现象,大量的实验事实及实际应用也证明了量子力学是一个成功的物理理论。但是关于量子力学的基本原理的理解却存在不同的解释。
众多的物理学家在自己观点的指引下,对量子力学的基本解释提出了自己的看法,主要有三种:传统解释、PTV系统解释和统计解释,这三种解释之间既有区别又有联系。
传统解释出发点是量子假设,强调微观领域内每个原子过程或基元中存在着本质的不连续,其核心思想是玻尔的互补原理(并协原理),还接受了玻恩对态函数的概率解释,并把这种概率理解为是同一个粒子在给定时刻出现在某处的概率密度。PTV系统解释的代表是玻姆,这种解释试图通过构造各种隐变量量子论来寻找量子力学的决定论基础,即为态函数的概率解释建构决定论的基石,目的是在微观物理学领域内恢复决定论和严格因果性,消除经典世界同量子世界的独特划分,回到经典物理学的预设概念,建立物理世界的统一说明。统计解释认为态函数是对统计系统的描述,量子理论是关于系统的统计理论,这个系统是由全同地(或相似的)制备的系统组成,不需要一个预先确定的动力学变量的集合,是一种最低限度的系统解释。
上面讲到三种观点之间,是既有联系又有区别,正是由于各方都坚持己见,才有了著名的爱因斯坦与玻尔之间的论战。(爱因斯坦说:“上帝不掷骰子。”波尔说:“亲爱的爱因斯坦不要指挥上帝做什么。”)量子纠缠才被爱因斯坦以一个悖论的疑问提出。量子纠缠就此提出。
1927年9月,玻尔在科摩会议中首度公开地演讲他的互补原理,由于他采用了大量的哲学语言来阐释互补原理,使大家感到震惊与困惑。当时大多数人对于测不准关系及互补原理的深刻内涵还不大明了。几个星期后在布鲁塞尔举行的第五届solvya会议,包括玻尔、爱因斯坦玻恩、薛定谔、海森堡等世界最著名的科学家都出席了这项盛会。玻尔在会议中重述了他在科摩会议上的观点。由于爱因斯坦并未参加科摩会议,这还是他首次听到玻尔亲自阐述互补原理和对量子力学的诠释。[5] 

理论完善

1951年,玻姆在《量子理论》中重新表述了EPR思想,用两个自旋分量代替原来的坐标和动量,为进一步研究特别是实验检验奠定了基础。
1952年,玻姆在《物理学评论》上连续发表两篇文章,提出了量子力学的隐变量解释。玻姆认为,在量子世界中粒子仍然是沿着一条精确的连续轨迹运动的,只是这条轨迹不仅由通常的力来决定,而且还受到一种更微妙的量子势的影响。量子势由波函数产生,它通过提供关于整个环境的能动
信息来引导粒子运动,正是它的存在导致了微观粒子不同于宏观物体的奇异的运动表现。玻姆理论最引人注目之处在于它对测量的处理。在这一理论中,量子系统的性质不只属于系统本身,它的演化既取决于系统同时也取决于测量仪器。因此,关于隐变量的测量结果的统计分布将随实验装置的不同而不同。正是这个整体性特征保证了玻姆的隐变量理论与量子力学(对于测量结果)具有完全相同的预测。然而,它也导致了一个令人极不舒服的结果。根据玻姆理论的预言,尽管它为粒子找回了轨迹,但却是一条永远不可见的轨迹,理论中引入的隐变量—粒子的确定的位置和速度都是原则上不可测知的。人们永远无法知道粒子实际的运动轨迹,对它们的测量将总是产生与量子力学相一致的结果。[5] 
此外,玻尔理论所假设的另一物理实在波函数同样是不可探测的隐变量,因为对单个粒子的物理测量一般只产生一个关于粒子性质的确定的结果,而根本测不到任何平场的性质。
在2011年12月21日,中国近现代哲学家许向东提出了自我论的思想原理[6-7]  ,2011年12月23日,又
太空相对论太空相对论
提出了太空相对论原理[8]  ,2012年1月26日,许向东又提出了微子论原理[9]  ,为量子纠缠相互映衬,一步一步为人类社会发展过程中出现的新的疑团解开答案。太空相对论微子论量子纠缠理论有着内在的联系,同时又提出了解决自然科学和天文学中,出现的新问题和解决问题的办法。同时量子纠缠理论的出现,又为太空相对论和微子论提供了有力的证据。
在量子的纠缠理论中,让我们又产生了新的问题,是什么原因造成了量子纠缠呢?这让人又想起微子论中的论述。在比光子更加微妙的量子中,其实有更加微妙的物质,在量子量子之间起作用。
量子与量子之间传递信息也就是说表面上看是共同来源的不同的量子,他们的距离看起来很遥远,但他们之间又有更小的微粒子作为载体,在他们之间传递信息,让他们产生互动。量子与量子之间传递信息的物质,又是我们研究的对象,它的质量之小,能量之大,又让我们走进新的殿堂。
研究科学的目的是什么呢?研究科学的目的就是为了解决各种各样的疑团。原来在我们生活中,把遇到的用科学无法解释的事物,一概而论,认为迷信。但在实际生活中,这些迷信却困扰着充斥着我们的生活。量子纠缠理论的形成和发展恰恰能够在我们的现实生活中解释一系列问题。在孪生兄弟之间,一个人经历痛苦的时候,另一个就有感应,甚至会有一模一样的痛苦。有时夫妻,父子之间一方经历极大痛苦时,另一方也能迅速感应。[10]  量子纠缠理论在发展中,能够对世界范围神学和玄学理论,提供有力的理论依据,这就成了唯心主义理论发展的新的里程碑。

纠缠态制备编辑

多光子纠缠态的制备和操控一直是量子信息领域的研究重点。世界上普遍利用晶体中的非线性过程来产生多光子纠缠态,其难度会随着光子数目的增加而指数增大。[4] 
2000年,美国国家标准局在离子阱系统上实现了四离子的纠缠态。
2004年,合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部的研究人员打破了这一纪录,在国际上首次成功实现五光子纠缠的操纵。
2005年底,美国国家标准局和奥地利因斯布鲁克小组分别宣布实现了六个和八个离子的纠缠态,并且一直保持着这个纪录。
中科院量子信息重点实验室李传锋黄运锋研究组在郭光灿院士的领导下,成功制备出八光子纠缠态——GHZ态,并进一步利用产生出的纠缠态完成了八端口量子通信复杂性实验。实验结果超越了以往界限,展示了量子通信抗干扰能力强、传播速度快的优越性。研究工作于2011年11月22日在线发表在《自然·通讯》上。[4] 

隐形传输证明史

量子态隐形传输,是对古典物理称为“定域性定律”(locality)的基本原则又一打击。其定律指出,一个物体只能被它周围的环境直接影响。量子论承认“幽灵般的远程效应”。
物理学家约翰·斯图尔特·贝尔1964年首先设计一个实验作为证明“‘幽灵般的远程效应’真实存在”的一种方法,因此,研究人员把他们的实验称为“没有漏洞的贝尔测试”。

1997年奥地利首次验证

1997年,奥地利塞林格小组在室内首次完成了量子态隐形传输的原理性实验验证。

2004年奥地利测试数百米级

2004年,奥地利该小组利用多瑙河底的光纤信道,成功地将量子“超时空穿越”距离提高到600米。但由于光纤信道中的损耗和环境的干扰,量子态隐形传输的距离难以大幅度提高。

2005年中国科大测试十公里级

中国科学技术大学潘建伟彭承志等研究人员的小组早在2005年就在合肥创造了13公里的自由空间双向量子纠缠“拆分”、发送的世界纪录,同时验证了在外层空间与地球之间分发纠缠光子的可行性。
2007年开始,中国科大——清华大学联合研究小组在北京架设了长达16公里的自由空间量子信道,并取得了一系列关键技术突破,最终在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输,证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性,为未来基于卫星中继的全球化量子通信网奠定了可靠基础。该成果已经发表在2010年6月1日出版的英国《自然》杂志子刊《自然·光子学》上,并引起了国际学术界的广泛关注。

2015年荷兰的1公里级

2015年10月25日《荷兰科学家证实量子纠缠:物质远隔万里却相互作用》报道:荷兰代尔夫特理工大学的科学家们把两颗钻石分别放在代尔夫特理工大学校园内的两侧,距离1.3公里。每块儿钻石含有一个可以俘获单个电子的微小空间,此空间具有一种称为“自旋”的磁性,然后用微波和激光能的脉冲来纠缠,并测量电子的“自旋”。校园的两侧设有探测器,两个电子之间的距离确保做测量的同时,信息无法以传统的方式交换。

应用领域编辑

简介

纠缠态作为一种物理资源,在量子信息的各方面,如量子隐形传态、量子密钥分配、量子计算等都起着重要作用。[1]  然而,受实验条件限制和不可避免的环境噪声的影响,制备出来的纠缠态并非都是最大纠缠态:另一方面,纯纠缠态受环境的消相干作用也会退化成为混合态。使用这种混合纠缠态进行量子通信和量子计算将会导致信息失真。为达到更好的量子通信或量子计算效果,需要通过纠缠纯化技术将混合纠缠态纯化成纯纠缠态或者接近纯纠缠态。因此,如何提纯高品质的量子纠缠态是量子信息研究中的重要课题。常见量子纠缠态应用,例如:量子通讯应用于量子态隐形传输量子计算应用于量子计算机,量子计算在实现技术上有严重的挑战,实现这一问题要解决另外三个问题——量子算法、量子编码、实现量子计算的物理体系,量子保密通讯也广泛应用于量子密码术中。

量子互联网

由链状纠缠粒子环绕整个地球而形成的量子通信网络。这种网络能够安全地共享加密密码,并且绝对能够监测到窃听的企图。

超越光速

传统认为光速最快,但2015年3月6日新闻稿“中科大实现量子瞬间传输技术重大突破”[11]  报道:中国科技大学潘建伟教授主持的量子隐形传态研究项目组2013年测出,量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级。在量子纠缠的帮助下,带传输量子携带的量子信息可以被瞬间传递并被复制,因此就相当于科幻小说中描写的“超时空传输”,量子在一个地方神秘地消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方神秘地出现。
这是他团队的伟大成绩。

量子纠缠数学演算推导的传输速度编辑

银河系直径12万光年,银河系边缘的星体到银河系中心点距离是6万光年,银河系边缘的星体受到银河系总质量的引力影响,所以能称为银河系做为星系之一。
科学实验得知量子纠缠的传输速度比光速至少高4个数量级,速度是30万km/s即光速用10000年,量子纠缠的传输速度只需要1年,即银河系中心引力影响到银河系边缘星体作用引力需要6年。
若是量子纠缠的传输速度比光速高5个数量级,即银河系中心引力影响到银河系边缘星体作用引力需要7.2个月。
若是量子纠缠的传输速度比光速高6个数量级,即银河系中心引力影响到银河系边缘星体作用引力需要22天。
若是量子纠缠的传输速度比光速高7个数量级,即银河系中心引力影响到银河系边缘星体作用引力需要2.2天。
若是量子纠缠的传输速度比光速高8个数量级,即银河系中心引力影响到银河系边缘星体作用引力需要5.3小时。
若是量子纠缠的传输速度比光速高9个数量级,即银河系中心引力影响到银河系边缘星体作用引力需要31.6分钟。
若是量子纠缠的传输速度比光速高10个数量级,即银河系中心引力影响到银河系边缘星体作用引力需要3.2分钟。
以上数据的结果显示了现在的银河星系团还保持团状形态,所以量子纠缠的传输速度的数学演算推导结果是无限接近于瞬时。事实上可能更高,这也决定了宇宙不是脱缰的野马而无限膨胀,必将回到起点,如果量子纠缠还不够,那么必将还存在宇宙级别的速度,只是还没有被发现。
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