如今,量子计算机,量子加密和量子(这里插入名称)经常出现在新闻中。关于它们的文章不可避免地涉及纠缠,这是量子物理学的一个特性,它使所有这些神奇的装置成为可能。

爱因斯坦称纠缠是“ 远处的怪异行为 ”,这个名字已经卡住并变得越来越受欢迎。除了构建更好的量子计算机之外,理解和利用纠缠在其他方面也很有用。

例如,它可用于更准确地测量引力波,并更好地了解特殊材料的特性。它也巧妙地出现在其他地方:我一直在研究原子相互撞击的方式是如何纠缠在一起的,以了解它如何影响原子钟的准确性。

但纠缠是什么?有没有办法理解这种“怪异”的现象?我将尝试通过汇集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

保护法是所有物理学中最深刻和最普遍的概念。能量守恒定律指出,孤立系统中的总能量保持不变(尽管它可以从电能转换为机械能转换为热能,等等)。该法律是我们所有机器的运作基础,无论是蒸汽机还是电动车。保护法是一种会计报表:你可以交换一些能量,但总量必须保持不变。

保持动量(动量是质量乘以速度)就是这样的原因,当两个不同质量的滑冰者相互推开时,较轻的滑冰者比较重的滑冰者移动得更快。这项法律也是着名的格言“每一个动作都有相同和相反的反应。”保留角动量是为什么 - 再次回到溜冰者 - 一个旋转的花样滑冰运动员可以通过将她的手臂拉近她的身体来更快地旋转。

这些守恒定律已通过实验验证,可以在宇宙中的各种尺度范围内工作,从遥远星系的黑洞一直到最微小的旋转电子。

量子加成

想象自己穿过树林徒步旅行。你来到了一个岔路口,但你发现自己在努力决定是向左还是向右。左边的路径看起来很黑暗而且很阴沉,但据说可以看到一些不错的景色,而右边的那个看起来很阳光但很陡峭。你最终决定走右路,怀疑地想知道没有走的路。在量子世界中,你可以选择两者。

对于量子力学描述的系统(即与热和外部干扰隔离得很好的事物),规则更有趣。像旋转陀螺一样,电子例如可以处于顺时针旋转的状态,或者处于逆时针旋转的另一种状态。不同于旋转陀螺,它也可以处于[顺时针旋转] + [逆时针旋转]的状态。

量子系统的状态可以加在一起并相互减去。在数学上,组合量子态的规则可以用与加法和减法矢量的规则相同的方式来描述。这种量子态组合的词是叠加。这实际上是您可能听说过的奇异量子效应的背后,例如双缝实验或粒子波对偶性。

假设您决定在[顺时针旋转] + [逆时针旋转]叠加状态下强制电子以产生确定的答案。然后电子随机地以[顺时针旋转]状态或[逆时针旋转]状态结束。一个结果与另一个结果的几率很容易计算(手头有一本好的物理书)。如果你的世界观需要宇宙以完全可预测的方式表现,那么这个过程的内在随机性可能会让你感到烦恼,但是... c'est la(经过实验测试)vie。

守恒定律和量子力学

让我们把这两个想法放在一起,并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(比如原子)开始时总共有100个单位的能量。你和你的朋友将这一对分开,各拿一个。你发现你的有40个单位的能量。使用能量守恒定律,你推断出你的朋友必须拥有60个单位的能量。只要你知道原子的能量,你就会立即知道朋友原子的能量。即使您的朋友从未向您透露任何信息,您也会知道这一点。即使你的朋友在你测量原子的能量时离开了银河系的另一边,你也会知道这一点。没什么好看的(一旦你意识到这只是相关性,而不是因果关系)。

但是一对原子的量子态可能更有趣。该对的能量可以以许多可能的方式划分(当然,与节能一致)。原子对的组合状态可以叠加,例如:

[你的原子:60个单位; 朋友的原子:40个单位] + [你的原子:70个单位; 朋友的原子:30个单位]。

这是两个原子的纠缠态。在这种叠加中,你的原子和你的朋友都没有一定的能量。然而,由于能量守恒,两个原子的性质是相关的:它们的能量总是相加到100个单位。

例如,如果你测量你的原子并在70个单位的能量状态下找到它,你可以确定你朋友的原子有30个单位的能量。即使您的朋友从未向您透露任何信息,您也会知道这一点。由于节约能源,即使你的朋友在银河系的另一边,也会知道这一点。

没什么好奇的。对话

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