03.03 什麼是量子和量子糾纏?

摸魚鴿


量子的本意是“一份一份”的意思,打個比方我們坐飛機,在飛機上會給每人一份標準的口糧,這一個package,就可以被稱為一個“量子”。

在物理裡面,人們最早在黑體輻射中發現光的能量是“一份一份”的,換句話說是量子化的,每個量子是hν,h是普朗克常數,是個很小很小的數,ν是光(電磁輻射)的頻率。

按照這個概念,物質都是量子化的,比如電的量子是“電子”,普通物質的量子是“原子、分子”等等。進一步,物理學家發現在原子中,電子的能量只能取分立的確定的值,我們說電子的能量也是量子化的,所謂量子力學就是物理學家在研究原子中電子的運動的過程中創建的。

普朗克為了解釋黑體輻射,引入了E=hν。

在大多數情況下,量子是作為一個前綴使用的。比如:量子力學,量子糾纏,量子材料,量子計算,量子通訊等。字面的意思就是說這些概念都和量子力學有關。

量子力學是在研究原子物理的過程中創建的,後來又被物理學家應用於場論和粒子物理,固體物理,量子化學等非常不同的領域,並全部都取得了非凡的成功,解釋了從希格斯玻色子,到超導現象,到化學反應速率等不同層次,非常廣泛的物理現象。現在人們已經普遍認為量子力學是全部自然科學的基礎,而且是久經考驗,非常牢靠的基礎。

在量子力學中,粒子的運動狀態用波函數表示,比如一個電子的運動可以表示為|+》或|-》,分別表示這一個電子的自旋是向上的或者是向下的狀態。

那麼兩個電子呢?

可能是這樣的:|++》,|+-》,|-+》和|--》,分別表示第一個電子自旋向上,第二個電子自旋也向上;第一個電子自旋向上,第二個電子自旋向下等等。

根據量子力學,波函數的疊加也是波函數,比如對一個電子而言,a|+》+ b|-》也是一個波函數。

我們現在把兩個電子的波函數也疊加起來,可以構造出這樣的波函數:

這樣的態就是一個量子糾纏態,分母的根2是歸一因子,可以先不去管它,觀察這個波函數的分子部分,我們發現我們沒法說第一個電子的自旋到底是向上(+)還是向下(-)的了,我們只知道有兩個電子,其中一個自旋向上,而另一個自旋向下。

這就是量子糾纏的一個例子。

我們還可以把這樣兩個糾纏起來的電子給分開,讓它們相互遠離,假設我們對其中一個電子做測量,假如測量結果是自旋向上(+),由於測量的關係,這裡發生了量子坍縮,我們可以立刻推斷位於遠方的另一個電子的狀態一定是自旋向下(-)。


物理思維


1900年4月27日,開爾文勳爵在英國皇家研究所做了一篇名為《在熱和光動力理論上空的十九世紀烏雲》的發言,演講中開爾文聲稱:“動力學理論認為熱和光都是運動的方式,現在這一理論的優美和明晰,正被兩朵烏雲籠罩著。”

這兩朵烏雲是科學史上最著名的兩朵烏雲。

第二朵烏雲是指盧梅爾等人的著名實驗―黑體輻射實驗,他們發現黑體輻射的能量不是連續的,它按波長的分佈僅與黑體的溫度有關。從經典物理學的角度看來,這個實驗的結果也是不可思議的。

這個時候,一個名叫普朗克的牛人冒出來了,他發現光、X射線以及其他的波只能一份份地發出,每一份他神奇地命名之為“一個能量子”。 “然後他又如有神助般地推出每一份量子等於普朗克常數乘以輻射電磁波的頻率。這關係稱為普朗克關係,其大名鼎鼎的方程表達式為:E= hν 。

這個成就揭開量子物理的序幕,請記住1900年12月14日這個日子,這一天就是量子力學的誕辰。普朗克也因此獲得1918年諾貝爾物理學獎。


量子糾纏(quantum entanglement)是指在量子力學裡,當幾個粒子在彼此相互作用後,由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質,無法單獨描述各個粒子的性質,只能描述整體系統的性質。

例如,如果生成一對粒子,使得它們的總旋轉已知為零,並且發現一個粒子在某個軸上順時針旋轉,則在同一軸上測量另一個粒子的旋轉,將被發現是逆時針的,正如由於它們的糾纏所預期的那樣。


朱八八


一.什麼是量子?一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,並把最小單位稱為量子。量子的能量、電荷、出現的位置、動量、角動量等物理量的分佈是不連續的。量子物理遵守統計規律,波粒二象性,海森堡測不準(不確定)原理等規律。

二.什麼是量子糾纏?

1.系統和狀態。量子糾纏中發生糾纏的兩個粒子也必須是“一家人”,物理學中說成是“同一個系統”。我們識別這兩個粒子的物理特徵是“狀態”。什麼是狀態呢?以兩個人為例。甲乙二人,甲頭朝上,乙也頭朝上,這叫系統中的甲乙二人具有同一(相同)狀態。甲頭朝上,乙頭朝下,(或甲頭朝下,乙頭朝上)叫做系統中甲乙二人具有相反狀態。微觀粒子充斥我們周圍空間,但是兩兩粒子間並不發生糾纏,這是因為它們不處於“同一系統中”。因為“處於同一系統中”是量子糾纏的前提條件。


2.量子疊加態。量子疊加也會產生糾纏,這是由量子力學中的一個有趣的“薛定鄂貓”實驗給出的一種量子態。

量子疊加態不光有“人頭朝上和頭朝下”那麼兩種。好比這個人是跳街舞的,可以上下翻倒立,可以前後翻滾,可以腳手振動,可以就地打圈,可以平動滑動,可以騰空翻飛,可以側身轉動……這些動作集於人(量子)一身就叫疊加,如果有兩個(或多個)量子是同一系統的,他們都會跳出這迷人的舞蹈,這就是量子糾纏。


量子疊加現象為量子計算機的並行運算,量子算法,量子編碼提供了理論基礎。量子疊加態的狀態越多,則自由度越大,要表示的維度越大,操縱量子越困難。但是其量子比特越大,進行計算機量子並行計算的信息量越大越快,這是量子物理學家為什麼樂此不疲地去探索量子疊加,量子糾纏和量子操縱的道理。


3.量子糾纏的“坍縮”。對處於同一系統中發生糾纏的任意量子進行測量(觀察),則系統量子糾纏態解除,成為一個確定事件。這就是量子糾纏的“坍縮”。量子糾纏和量子糾纏坍縮現象是量子通訊加密的理論基礎。

三.詭異的量子糾纏機理。

在量子力學中的量子糾纏的“速度”遠超光速,幾乎與“說曹操曹操就到”相當。只要是同一系統的兩個量子發生糾纏,不管它們相隔多遠,一個量子的狀態發生改變,另一個量子的狀態隨之發生改變,這“速度”並不受光速的限制。 量子糾纏為什麼會這樣快的“速度”呢?科學家試圖用“場”理論、“弦”理論、甚至是早被物理學家拋棄了的“以太”說來解釋,都不能得到令人信服的結果。所以“量子糾纏”至今被人懷疑。量子糾纏的機理,量子糾纏的速度等一系列問題,也好象與人的“意識”有關,讓人腦洞大開,極大可能改變人們的世界觀。 再說多了,很多唯物論者會罵上陣來。我認為,這是上帝留給下一位諾貝爾物理學獎獲得者的課,心急也沒用。等等吧,總會有人揭開量子糾纏這“超距作用的最快逮度”之謎的。



沈大哥


以下是我的回答,誠邀關注點評。

量子

開爾文曾說過的物理學史上有兩大烏雲,一就是黑體輻射,發展出量子力學;二是MM實驗與以太漂移說的矛盾結果,發展出相對論。

今天我們主要說第一朵烏雲“黑體輻射現象”引出的量子概念。其最早由德國物理學家M.普朗克在1900年提出,用此概念很好的解釋了黑體輻射的實驗現象。量子指的是不可再分的基本單元,物質和能量是由此基本單元的整數倍組成,表現出不連續的量子化現象。量子這個詞的英語來源於拉丁語,表示的是“一定數量的能量或物質”。量子表示的是一類東西,跟我們平常所說的電子,原子,中子等是有本質區別的。



量子糾纏

接下來我說一下這個量子糾纏是什麼?水平有限,原諒我我只能通俗的去說。有這樣一個基本粒子(我們都知道其有自旋的性質),因為外力分解為兩個粒子A和B,這兩個粒子分離的距離很遠,此時我們觀察A粒子,如果其是左旋,那麼根據已知的定律,那麼B粒子一定是右旋的。那麼問題來了,根據量子力學的不確定性原理,A粒子沒觀察之前既左旋又右旋(薛定諤的貓既生又死),那麼只要一觀察,A粒子的狀態就會確定,那麼B粒子的自選狀態也會隨之確定,如果A和B粒子足夠遠,就可能發生超距作用,就是大家比較感興趣的超光速。這就是量子糾纏。



(所有圖片來源網絡,侵刪)


微言淺見,祝好。


科學黑洞


量子是抽象概念,簡單來說就是小到一定物理量的東西,例如光子,電子等。其具有自旋,衰變等性質。

與常規物質不同的特質是,其物理特性由觀察者意識決定。無觀察者時其物理形態各種可以同時存在,例如光子可以同時左旋和右旋,稱為Q態,只有當觀察者觀察時,發現其右旋還是左旋。

量子糾纏是每個量子都有其對子,例如觀察者檢測一個光子是左旋,那麼觀察它的對子一定是右旋狀態,不管隔多少距離。


除非夫婦


把自旋相反的兩個粒子分別送往兩地,當你在一個地方測量出其中的一個粒子自旋為正,則你就同時知道了另一地方的另一個粒子的自旋為負,這是量子糾纏嗎?不,這不是。根據自旋守恆定律,當一個粒子的自旋為正時,另一個粒子的自旋必定為負,難道這麼一個簡單的問題,還需愛因斯坦和玻爾去爭論嗎?

量子糾纏是指,分送到兩地的兩個粒子,均處於自旋為正和自旋為負的疊加態,就像那隻薛定諤的貓,處於死了與活著的疊加態,但你一旦觀測它,它就會立馬由疊加態坍縮為一個確定狀態,那隻死活疊加的貓,就立馬坍縮為一個明確確定的死貓,或一個明確確定的活貓。假設你觀測後,你這裡的那個粒子的自旋由正負疊加態坍縮為單獨的正,則根據自旋守恆定律,你就同時知道了另一個粒子的自旋必定為負,此時,你還能說另一地的那個粒子處於自旋為正和為負的疊加態嗎?它就應該同時由自旋為正和為負的疊加態,坍縮為自旋為負的確定態。但這個粒子沒有人去觀測它,它為什麼會自動由疊加態坍縮為確定態呢?只能認為,你這裡的粒子,在因外來的觀測而由疊加態坍縮為確定態的同時,還超距的發信息告訴另一個粒子,“我己經因觀測而坍縮為正了,你也趕緊坍縮為負吧"。

顯然,你這裡的粒子狀態坍縮,是因測量引起的,而另一地的另一個粒子的狀態坍縮,是因兩粒子超距的相互作用引起的。這種超距的相互作用,才是量子糾纏。

愛因斯坦並不認同標準解釋所說的,粒子在觀測前,處於不確定的疊加態,但觀測會使它由疊加態坍縮為確定態的觀點,愛因斯坦認為,如果是這樣,則上述的現象中,就必然出現違反相對論的超距的信息傳遞或相互作用。

我認為,量子糾纏,在標準解釋的語言環境下,是無法實測驗證的。請問,你如何才能知道另一個粒子究竟有沒有因糾纏而狀態坍縮?你不觀測它,你就無法知道它究竟有沒有因糾纏而坍縮,但若進行觀測,你又怎麼區分它的坍縮,究竟是因糾纏引起,還是因你的觀測引起?顯然,不論這種糾纏有沒有超光速,都無法實測驗證。

量子糾纏,在標準解釋的語境下,是無法實測驗證的。


董加耕


現在決定過去,不是現在決定未來。根本沒有(真正永遠不變的過去),(所有的過去)都是你現在創造的而且參與其中;現在的每分每秒,你都在逆時間創造著過去所發生的一切,是你的(觀察)行為參與了宇宙的創造過程。也就是說,你的想法(創造)了屬於你的世界,包括你對自己過去生命歷史的觀點和詮釋。

舉例來說;目前後世的人對於過去的歷史人物,從原本的評價記載,在透過考古學家發現的新資料,有了不同於過去的評價觀點,在這樣的情況下,不就是(現在的觀察行為)決定了(過去的歷史事實)?



Angie吳麗豔新加坡


量子糾纏是指,分送到兩地的兩個粒子,均處於自旋為正和自旋為負的疊加態,就像那隻薛定諤的貓,處於死了與活著的疊加態。

我們道教標示,代表量子糾纏。有正必有負,有陰必有陽,有黑必有白 ,有鬼必有神,有善必有惡,都是量子糾纏。


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