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通俗解释下的量子纠缠理论,幽灵般的超距作用,什么是量子纠缠?

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量子纠缠是非常不同但很难理解,但有一些方法可以让它易于理解。

加拿大多伦多大学的Amar Vutha解释说:

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插图:纠缠是粒子特性之间的一种“量子修正”。 (如上所示)

新闻中经常报道量子计算机,量子加密和量子相关的事物。不可避免地提及他们的文章将导致纠缠,量子物理学的本质使这些神奇的设备成为现实。

爱因斯坦把纠缠称为“幽灵般的超距离”,这个名字逐渐被人们所理解。构建量子计算机并以其他方式理解和利用纠缠也是非常有用的。

例如,它可用于测量引力波以获得更准确的数据,这是对特殊材料性质的更好理解。它也可以在其他方面更准确地揭示:我一直在研究粒子如何相互碰撞以形成纠缠,并想要了解它如何影响原子钟的准确性。

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但纠缠是什么?有没有办法理解这种“幽灵”现象?我将尝试通过结合物理学中的两个概念来解释它:守恒定律和量子叠加。

保护法则是所有物理学中最常见和最重要的概念。能量守恒定律意味着封闭(隔离)系统的总能量保持不变(它可以转换成其他能量,如电能,机械能或热能)。该法律是我们所有机器运行的基础,无论是蒸汽机还是电车。保护法就像一个会计账户:你可以改变少量的能量,但总量必须是一致的。

动量守恒(动量是质量乘以速度)可以解释两个不同的举重运动员相互推开,而较轻的一个可以更快地滑动。这条法律也解释了着名的格言:每一种力量都有相同而相反的反应。 (又一个滑冰运动员的例子)角动能的守恒解释了一个旋转的滑冰者可以抓住她的手臂靠近她。

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2019年在白俄罗斯举行的欧洲花样滑冰锦标赛中,法国花样滑冰选手Gabriella Papadakis和Guillaume Cizeron证明了保护法的效果(如上图所示)

这些守恒定律已经通过实验证明它们都在宇宙的广泛范围内工作,从遥远星系的黑洞到最小的旋转电子。

想象一下,自己在森林里徒步旅行。你在路上,但你不能决定是向左还是向右。通往左边的道路虽然黑暗但最美丽;右边的路是阳光明媚的,但道路很崎岖。你终于决定向右走,但仍然在想到左边的道路。在量子世界中,您可以选择两种方式。

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对于量子力学系统(其中一切都与高温和外部干扰完全分开),内部规则更加有趣。例如,像陀螺一样,原子可以顺时针旋转或逆时针旋转。虽然它不像陀螺,但它仍然可以保持[顺时针旋转] + [逆时针旋转]的状态。

量子系统可以加在一起或减去。从数学的观点来看,组合量子态的规则也可以描述为向量的加法和减法规则。对于这种量子态的组合,世界是叠加的。在奇怪的量子效应背后,您可能听说过双缝实验或波粒二象性。

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您决定以[顺时针旋转] + [逆时针旋转]叠加状态强制电子以获得准确答案。然后自由旋转的电子要么停止[顺时针旋转状态]要么停止[逆时针旋转状态]。两个结果的几率很容易计算(手头有一本好的实体书)。如果您的世界观要求宇宙完全按预期运行,那么该过程的固有随机性可能会困扰您。但是.这就是生活(实验测试)

现在我们将这两者结合起来,将能量守恒定律应用于一对量子粒子。

想象一下一对量子粒子(原子),总共100个单位的能量。你和你的朋友将这对粒子分开,每粒一粒。你发现你有40个单位的能量。通过能量守恒定律,你推断你的朋友必须有60个单位的能量。一旦你知道自己的原子能量,就必须知道你朋友的原子能量。即使你的朋友没有告诉你一些信息,你也会知道。即使你在朋友在银河系的另一边测量原子能量,你仍然会知道。他们没有什么可怕的(一旦你意识到这只是一种关系而不是一种因果关系)。

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但这对原子的量子态可能更有趣。这对原子的能量可分为许多可能的方式(当然,也符合能量守恒定律。)原子的组合状态是重叠的叠加,例如:[你的原子:60单位;你朋友的原子:40个单位] + [你的原子:70个单位;你朋友的原子:30个单位]。

这是两个原子的纠缠态。既不是你的原子也不是你朋友的原子,这种叠加的能量是清楚的。然而,由于能量守恒定律,两个原子的性质是相关的:它们的总能量总是等于100个单位。

例如,如果你测量一个原子并发现它有70个单位的能量,你可以确定你朋友的原子有30个单位的能量。即使你的朋友没有告诉你任何事情,你也会知道。由于能量守恒定律,即使你的朋友在银河系的另一边,你也会知道你朋友的原子能量。

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2.天文名词

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