量子纠缠真的超越光速吗?或许事实并非如此[Migage]

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据国外媒体报道,量子纠缠是量子力学中最令人困惑的领域之一,这是一个不为人知的物理领域,对于大众而言它并非清晰易懂,并且知识结构复杂。甚至爱因斯坦本人也对微观粒子的惊人表现感到困惑,他坚信我们从根本上误解了宇宙量子力学。事实证明爱因斯坦的观点是错误的,但是要解释他哪里出了问题,以及量子领域的真实状况,仍需要一段时间。让我们开始揭晓其中的谜团吧……

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图片来自于 Félix Bussières/University of Geneva

像这样的晶体可以储存纠缠态量子,它表明了非直觉量子力学的有效性。之前科学家对量子纠缠是否超越光速存有争议,最新研究显示,这种观点可能存在一定的合理性。

首要问题

量子力学最重要的经验之一就是我们必须完全改写我们的“粒子”概念,而不是在空间和时间上描绘一个坚硬、固体的精确点,目前科学家将粒子作为模糊概率(fuzzy probabilities),当我们寻找粒子时,会将所发现的粒子进行相应描述,但在我们进行测量之前,我们仍无法精确知道关于粒子的一切。

这些粒子模糊概率不仅仅适用于一个粒子的位置,它们也与粒子速度、角动量、旋转等有关。如果我们对测量粒子感兴趣,很可能我们不知道会提前获得什么发现。

粒子模糊概率也被称为量子态(quantum states),它们是简洁的数学方程,总结了我们想要探测粒子性质的所有概率。但是当两个粒子共享一个量子态时,就令人非常费解。在某些情况下,我们可以用量子连接两个粒子,因此这样一个数学方程就能同时描述两组粒子概率。

令爱因斯坦困惑的事情

最初,很可能只有学者才会关心,但是一些有趣的事物出现了,是两个粒子所谓的“纠缠态”,在我们看来这是一个极为简单,但却令人惊讶的事实。

我们将准备超特殊纠缠量子态,这样就可能有两种可能的结果,在我们进行测量时,每一种结果都有一个50:50的完美几率。在第一个结果中,一个粒子存在向上旋转,另一个结果是向下旋转,此时的旋转方向是相反的。

以上结论都非常正确,我们开始准备纠缠量子态测试,让这些粒子以自由方式离开,并开始进行测量。

首次观测粒子,我们发现一个旋转指向。它很容易朝向下方,但这就像抛硬币一样,当我们正好赶上了朝向上旋转的粒子。这将告诉我们第二个粒子的状况吗?由于我们非常仔细地排列纠缠量子态,我们目前百分之百地确定第二个粒子肯定是向下的。它的量子态与第一个粒子纠缠在一起,一旦出现一个启示,就会发现这两种情况。

如果第二个粒子在房间的另一侧呢?或者在银河系的另一边呢?依据量子理论,一旦做出“选择”,伴侣粒子将立即知晓是如何旋转的,其通信速度可接近光速,而爱因斯坦则认为这是不可能实现的。

潘朵拉量子盒

对于爱因斯坦而言,量子力学显然是错误的。1935年,他与鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和南森·罗斯(Nathan Rosen)一起撰写的简短论文中,他使用了类似的思路指出新奇量子理论与自身不相符,这对于被广泛认可的自然理论是一个严重打击。爱因斯坦认为,量子力学并不能完全描述亚原子世界,而粒子携带着所谓的“隐藏变量”,使它们能够在被测量之前协调其状态。

但在几十年的测试中,一次又一次地证实,并没有这样的隐藏变量。这些测试还显示,这种“超距作用下的幽灵行为”确实是瞬间发生的。即使我们把纠缠粒子尽可能地分开,它也会这样做。

但是物理学家仍然在讨论光速是多么地重要,以及没有任何事物可以超越这种极限速度。难道我们没有注意到这个明显的矛盾吗?

生活在量子世界

假如我保留一对纠缠状态下粒子中的一个,将另一个粒子发送给你。像往常一样,我研究我的粒子,执行所有最重要的测量,并发现一个向上旋转的粒子。然后发出一束光,告诉你所发现了什么。

但在光信号到达之前,你观察你的粒子,测量量子理论下的向下旋转粒子。但是由于我的信息还未到达,你不知道是否你是第一个看到该信息,或者只是随机地得到一个向下旋转或者如果我先打开将你的粒子强制性进入这个状态。只有在对比分析之后,我们才发现两个粒子是真正地纠缠在一起,对一个粒子的测量,完全依赖于另一个粒子。在这种交流分析之前,我们无法判断我们是否在处理已经存在的粒子。

所以虽然解开量子纠缠的过程是瞬间发生的,但并没有相关的任何迹象。我们必须使用传统、不超过光速的通信方法,拼凑出量子纠缠所需的相关性。因此,爱因斯坦的宇宙速度极限被保留下来,同时从根本上讲,量子的世界观也是如此。


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