被称为“幽灵般的超距作用”的纠缠到底是个啥?

来源:新浪科技发布时间:2019-04-30

在遵守能量守恒定律的前提下,原子的能量可以按照许多可能的方式进行分配,它们的结合态可以处于叠加态。

我们经常在新闻中看到量子计算机、量子密码学和“量子……”等概念。与量子有关的文章会不可避免地提到纠缠,正是纠缠这一量子物理学性质,使得所有这些神奇的装置成为可能。

爱因斯坦称纠缠为“幽灵般的超距作用”,这个名字一直流传至今,并越来越受欢迎。理解和利用纠缠除了能有助于建造更好的量子计算机,它在其他方面也很有用。例如,我们可以用它来更精确地测量引力波,以及更好地理解特殊材料的性质。它在其他地方也有微妙的体现:我一直在研究相互碰撞的原子是如何纠缠在一起的,以理解这如何影响原子钟的精度。

但什么是纠缠?有什么方法可以理解这种“幽灵”般的现象吗?我将试图通过结合物理学中的两个概念——守恒定律和量子叠加——来解释它。

守恒定律

守恒律是物理学中一些最深刻、最普遍的概念。能量守恒定律指出,孤立系统的总能量保持不变(尽管这些能量可以从电能转化为机械能,再转化为热能,等等)。这条定律是蒸汽机、电动车等所有机器运转的基础。守恒定律就像是会计报表:你可以与周围环境交换部分能量,但能量的总量必须保持不变。

当两个体重不同的滑冰者相互推离时,较轻的一方比较重的一方远离的速度更快,这背后的原因可以用动量守恒(动量 = 质量 × 速度)来解释。动量守恒定律也解释了那句著名的话:“每一个作用都有一个大小相等、方向相反的反作用。”让我们再回到滑冰者的例子,角动量守恒可以解释,为什么一个旋转的花样滑冰运动员可以通过把手臂靠近身体来加速旋转。

我们已经通过实验证实,这些守恒定律适用于宇宙中极为宽泛的尺度范围,从遥远星系中的黑洞一直到最微小的自旋电子。

量子叠加

想象你在森林里进行一次愉快的徒步旅行。你来到一个岔路口,却发现自己在挣扎着决定到底是向左走还是向右走。左边的那条路看起来黑暗而阴沉,但据说这条路会通往美丽的风景;右边的那条路看起来阳光明媚却很陡峭。终于,你决定向右走,但心里却对那条没有走过的路充满渴望。然而在量子世界中,你可以同时选择这两条路。

对于量子力学描述的系统(也就是那些与热量和外部扰动充分隔离的物体),物理学定律来得更加有趣。就像陀螺一样,电子可以处于顺时针旋转的状态,或逆时针旋转的状态。但与陀螺不同的是,电子还可以处于“顺时针+逆时针”的旋转状态。

量子系统的状态可以相加,也可以相减。从数学上看,量子态的结合规律可以用向量相加减的规则来描述。我们用叠加来表示量子态的结合。在双缝实验、波粒二象性等等你可能听说过的奇怪量子效应背后的原理,正是量子叠加。

假设你决定迫使一个处于 {顺时针旋转}+{逆时针旋转} 的叠加态的电子产生一个确定的状态。那么电子最终会随机地处于要么{顺时针旋转} 状态,要么{逆时针旋转} 状态。我们很容易计算出一种结果相对另一种结果的概率。如果你的世界观要求宇宙以完全可预测的方式运行,那么这个过程的内在随机性可能会让你困扰,但这就是经过实验检测的现实。

守恒定律与量子力学

现在让我们把这两个概念结合起来,将能量守恒定律应用到一对量子粒子上。

想象一对量子粒子(比如原子)最开始有100个单位的能量。你和你的朋友把这对粒子分开,各拿一个。你发现你的原子有40个单位的能量,根据能量守恒定律,你推导出你朋友所持的原子一定有60个单位的能量。一旦你知道了自己的原子的能量,也就马上知道了你朋友的原子的能量。即使你的朋友从未向你透露过任何信息,你也会知道这一点。即使你的朋友处于银河系的另一边,当你测量自己的原子的能量时,你还是会知道这一点。一旦你意识到这只是相关性,而不是因果关系,就会知道这根本一点都不“幽灵”。

但一对原子的量子态可能更有趣。在遵守能量守恒定律的前提下,这对原子的能量可以按照许多可能的方式进行分配,它们的结合态可以处于叠加态,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。无论是你的还是你朋友的原子,在这个叠加态中都没有确定的能量。然而,由于能量守恒,这两个原子的性质是相互关联的:它们的能量加起来总是100个单位。

例如,如果你测量自己的原子,发现它处于能量为70个单位的状态,那么你可以确定你朋友的原子有30个单位的能量。即使你的朋友从未向你透露过任何信息,你也会知道这一点。多亏了能量守恒,让你和你的朋友即使相距一个银河系的距离,也能彼此知道这一点。

根本不存在什么幽灵。


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