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zz 维基百科: 量子纠缠·应用·虫洞

将量子纠缠理论应用于通讯系统,将是绝对安全的,因为任何进入系统的干扰,即使相距数亿公里之远,亦能在瞬间发现,其传递速度是光速的万倍以上。究竟电子纠缠是什么呢?请读一读下面这篇网摘。

 

 

摘自维基百科:

   量子纠缠·应用·虫洞

 

量子纠缠

 
       
 

 

照射激光束于偏硼酸钡晶体,会因第二型自发参量下转换机制,

在两个圆锥面交集的两条直线之处,制备出很多偏振相互垂直

的纠缠光子对。

 

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quantum entanglement)。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。由两个以上粒子组成的量子系统也可能会发生量子纠缠。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。

 

复合系统是由两个或两个以上的亚系统所组成的系统。处于量子纠缠的复合系统,其态矢量不能表示为亚系统各自态矢量的张量积,必须表示为几个不同张量积的量子叠加。因此,每个亚系统都失去了自己独特的属性,然而却贡献出整体系统的属性。

 

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)。给定一系综被量子纠缠的粒子对,对于每一个粒子对的两个粒子做测量,分析所得到的数据,可以推论,两个粒子的性质存在着一种关联现象,尽管它们可能相隔很遥远,仍旧可以观察到这种关联现象。多次重复做实验已证实这论点,甚至当两个测量的时间间隔,比光波传播于两个测量位置所需的时间间隔还短暂,这现象依然发生,也就是说,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,阿尔伯特·爱因斯坦鲍里斯·波多尔斯纳森·罗森发表的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论EPR悖论)涉及到两个粒子由于量子纠缠而出现的问题,从而开启了关于量子纠缠的研究。同年,埃尔温·薛定谔也发表了几篇关于量子纠缠的论文,并且给出了“量子纠缠”这术语。虽然这些初期研究聚焦于揭示量子纠缠的一些反直觉性质,借此严厉批评量子力学,但多年以来,物理学者做实验检视量子纠缠,所获得的结果符合量子纠缠的理论预测。因此,大多数物理学者承认量子纠缠是量子力学的基础性质。现今,研究焦点已转至应用性阶段,即在通讯计算机领域的用途,然而,物理学者仍旧不清楚量子纠缠的基础机制到底为何。

量子纠缠与不可分性

假设一个量子系统是由几个处于量子纠缠的亚系统组成,而整体系统所具有的某种物理性质,亚系统不能私自具有,这时,不能够对亚系统给定这种物理性质,只能对整体系统给定这种物理性质,它具有“不可分性”。

不可分性不一定与空间有关,处于同一区域的几个物理系统,只要彼此之间没有任何纠缠,则它们各自可拥有自己的物理性质。物理学者艾雪·佩雷斯Asher Peres)给出不可分性的数学定义式,可以计算出整体系统到底具有可分性还是不可分性。假设整体系统具有不可分性,并且这不可分性与空间无关,则可将它的几个亚系统分离至两个相隔遥远的区域,这动作凸显出不可分性与局域性的不同──虽然几个亚系统分别处于两个相隔遥远的区域,仍旧不可将它们个别处理。

EPR悖论里,由于两个粒子分别处于两个相隔遥远的区域,整体系统被认为具有可分性,但因量子纠缠,整体系统实际具有不可分性,整体系统所具有明确的自旋z分量,两个粒子各自都不具有。

 

应用

量子纠缠是一种物理资源,如同时间、能量、动量等等,能够萃取与转换。应用量子纠缠的机制于量子信息学,很多平常不可行的事务都可以达成:

  • 量子密钥分发能够使通信双方共同拥有一个随机、安全的密钥,来加密和解密信息,从而保证通信安全。在量子密钥分发机制里,给定两个处于量子纠缠的粒子,假设通信双方各自接受到其中一个粒子,由于测量其中任意一个粒子会摧毁这对粒子的量子纠缠,任何窃听动作都会被通信双方侦测发觉。
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  • 密集编码superdense coding)应用量子纠缠机制来传送信息,每两个经典位元的信息,只需要用到一个量子位元,这科技可以使传送效率加倍。
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  • 量子隐形传态应用先前发送点与接收点分享的两个量子纠缠亚系统与一些经典通讯技术来传送量子态或量子信息(编码为量子态)从发送点至相隔遥远距离的接收点。
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  • 量子算法quantum algorithm)的速度时常会胜过对应的经典算法很多。但是,在量子算法里,量子纠缠所扮演的角色,物理学者尚未达成共识。有些物理学者认为,量子纠缠对于量子算法的快速运算贡献很大,但是,只倚赖量子纠缠并无法达成快速运算。
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  • 量子计算机体系结构里,量子纠缠扮演了很重要的角色。例如,在一次性量子计算机one-way quantum computer)的方法里,必须先制备出一个多体纠缠态,通常是图形态graph state)或簇态cluster state),然后借着一系列的测量来计算出结果。

 

虫洞

 
 

 

洛伦兹虫洞(史瓦西虫洞)的电脑绘图。

将两个黑洞纠缠在一起,然后再将它们分离,就可制成一个虫洞连结在它们之间(基本而言,一条捷径)。类似地从弦理论来检视,纠缠两个夸克也会有同样的作用。

这些理论结果为一些新理论提供支持。这些新理论表明,引力与它的物理性质不是基础的,而是来自于量子纠缠。虽然量子力学正确地描述在微观层次的相互作用,它尚未能够解释引力。量子引力理论应该能够演示出经典引力不是基础的,就如同阿尔伯特·爱因斯坦所提议,而是从更基础的量子现象产生。

施温格效应Schwinger effect)从真空生成的纠缠粒子对,处于电场的作用下,可以被捕获,不让它们湮灭回真空。这些被捕获的粒子相互纠缠,可以映射到四维空间(一种时空的表现)。与之不同,物理学者认为,引力存在于第五维,按照爱因斯坦的定律,将时空弯曲与变形。

根据全息原理holographic principle),所有在第五维的事件可以变换为在其它四维的事件,因此,在纠缠粒子被生成的同时,虫洞也被生成。更基础地,这论述建议,引力与它弯曲时空的能力来自于量子纠缠。

案例

以两颗向相反方向移动但速率相同的电子为例,即使一颗行至太阳边,一颗行至冥王星边,在如此遥远的距离下,它们仍保有关联性(correlation);亦即当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化,另一颗也会即时发生相应的状态变化。如此现象导致了鬼魅似的超距作用之猜疑,仿佛两颗电子拥有超光速的秘密通信一般,似与狭义相对论中所谓的局域性原理相违背。这也是当初阿尔伯特·爱因斯坦与同僚玻理斯·波多斯基纳森·罗森1935年提出的EPR悖论来质疑量子力学完备性的理由。

 

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