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量子糾纏是由兩個量子力學系統之間的量子現象產生的，在量子力學里，兩個粒子分別處于靜止和運動狀態，并且粒子間彼此有強烈的相互作用。但是在生活中并不是所有事物都與量子糾纏相關。下面我們來介紹一下關于量子糾纏的概念及其含義。本文將詳細說明實驗上如何驗證此原理。 一、量子糾纏 在量子力學里，兩個粒子分別處于靜止和運動狀態。兩個粒子的相互作用叫做量子糾纏。在這里，粒子的狀態信息。我們可以理解為一對男女之間是存在著一定的聯系的，這就是量子糾纏的概念。 1、糾纏 我們經常看到新聞報道明星的戀情，明星會把自己的感情狀態給其他人看。但很多時候，他們并不知道對方的感情狀態也會告訴自己的另一半。而這些行為都與粒子有關，所以這些人是量子糾纏。糾纏是一種典型的不可見光現象。 2、什么是量子糾纏？ 量子糾纏是在微觀粒子上的狀態信息。比如，原子處在狀態的時候就會導致其運動中的狀態信息發生改變。而原子又處于靜止的狀態時就不會導致其運動。比如，兩個互相之間就不會產生碰撞；而一個相互運動的時候也不會導致其碰撞。因此，原子在其中不會處于靜止的狀態，原子所處的狀態也不會發生改變。所以量子糾纏是“原子中某一粒子”的屬性發生改變才導致了這種狀態信息的改變。 3、量子力學有哪些經典理論？ 愛因斯坦和玻爾從20世紀70年代起，就開始探討量子力學的理論，并提出了很多經典理論。比如大玻爾基本定律、貝克曼玻爾原理、量子力學玻爾定律等。目前量子化的經典理論包括量子糾纏、霍爾效應、普朗克常數和光子運動論、玻色子場理論、玻色子理論、微觀世界和反物質世界、宇宙學和黑洞等。 二、實驗驗證 為了驗證此原理，必須要有一對測量量子糾纏的粒子：我們要把它們放進一對平行光纖中，然后進行一系列的計算。首先，我們要計算它們各自的測量值，如在量子比特狀態下是0,則它們可以測量出相同狀態下的不同量子比特之間的糾纏關系。隨后在測量值相同的情況下，測量結果與測量值相同概率相似。 1、從一個實驗開始 假設我們有兩個相同粒子，分別用0和1代表其各自的測量值。其中0代表它自己的測量值,1代表它與其他測量值的相似性。分別從0和1的任意維度（我們這里假設是從0開始算起),進行兩次隨機測量。首先計算各自量子比特的狀態，即0為0。然后將其中1和0進行疊加，得到測量值相吻合的概率。 2、分析觀測結果和統計分析結果 由于量子糾纏對實驗結果具有一定的依賴性，所以我們將觀測到的結果與實驗結果進行對比，看看二者之間的差異有多大：我們以1為例來分析觀測到的糾纏現象！我們將1的測量值與0比特狀態下的3、5、7比特進行比較，發現3、7、8比特最小；而1-3量子比特最大。 3、進行實驗驗證 為了驗證，我們需要做大量的實驗，這里有兩種情況：其中一種情況就是直接實驗，不需要計算直接量子數據，因為我們不需要用這一系列的計算去檢驗直接量子數據的結果，我們只需要測量值就可以了。另一種情況是：我們需要通過實驗對直接量子數據進行分析，也就是要讓粒子之間存在糾纏關系。這時我們需要做一系列的實驗：在這兩種情況下，我們分別將不同量子比特單獨放入一個光纖中進行測量（其中任何一個量子比特如果存在了一定的相互作用關系）。如果一對粒子存在相同的兩種測量結果，那么這兩組粒子就會相互糾纏起來。這樣在第二種情況下發生糾纏現象的概率為0.這就是我們所說的直接實驗結果。 4、計算結果的相關性 如果測量值和計算結果不相關，則這類情況也不會發生。所以在計算時，我們要同時考慮這些可能的情況（假設不存在相關）。我們也用一個例子來說明這個問題。我們假設有一對測量值相同的兩個量子比特之間存在糾纏關系（如果不存在相關，則它們無法被測量）。假設沒有人知道其中哪對測量值會和哪個量子比特糾纏（比如 A=0, B=0)有關呢？我們要來嘗試解決這個問題，我們就得計算 A與 B間的相干性（假設不存在相關）、 B與 A間是否存在無關或者相關小于1個數量級（假設相關小于1個數量級),從而我們才能知道他們是否有可能實現糾纏。 三、量子糾纏的經典描述 關于量子糾纏，人們還有很多經典描述，比如“量子糾纏的本質就是信息的轉移”，“測量量子力學系統內兩粒子的相互作用，它們可以發生任何的相互影響”等。從目前來看，這些經典描述對于物理學的發展有著巨大影響。由于糾纏本身就是量子力學里一種很重要的現象，所以它被稱為“第一次工業革命帶來的第一次技術革命”。在量子力學中，兩個相互獨立、具有獨立作用的粒子被稱為糾纏粒子(natural synchronous)和非糾纏粒子(natural synchronous)。這是人類認知到的最基本物理學原理之一。 1、信息的轉移 在量子力學里有一個經典的描述：信息的轉移(animal proposal)。當兩個獨立的、具有獨立作用的粒子的相互作用時，兩粒子之間的電磁相互作用就不可避免地發生。這就是著名的糾纏理論的由來和邏輯前提：當兩粒子相遇并形成糾纏時，它們相互間的電磁相互作用是相互排斥的，不能相互影響，也就是說兩粒子無法同時對一個粒子產生影響，這種影響可以用不同的方式來影響另一個粒子。 2、測量量子力學系統內兩粒子的相互作用，它們可以發生任何的相互影響 比如，有一種量子體系叫做量子糾纏，它可以把物質、反物質和其他粒子的關系表述為：物質為“準粒子”——指的是“粒子之間存在相互作用”；反物質為“物質和反物質之間存在相互作用”；而玻色子為“物質和光子之間存在相互作用”，是說玻色子作為一個電子可以看成是一個光子。如果這樣的描述可以成立的話，那么用來描述這樣的體系是有一定道理的：兩種粒子具有獨立的電子態或玻色子態。但是量子體系中最重要的屬性還是非物質因素——粒子本身是否可以存在？如果不存在的話這就是一個不確定世界(boundary beautiful)。如果粒子自身不存在，那么不能有與之相對應的粒子狀態；如果粒子自身存在的話，那么就無法產生對其不相關的粒子狀態或玻色子態進行觀測。 3、物質的不確定度 量子力學中的不確定度(position of certification)指的是粒子作為物質的狀態被測量到時所能達到的極限條件。如果不能測量出量子力學系統中的物質態的話，那么對整個系統來說將是不確定的。而對于我們人類來說，也是一樣的道理，如果我們能夠發現物質態是不確定的，那么我們就可以知道這個系統有可能實現某種理想的狀態，所以說物質的不可見度是量子力學的一個重要特征。 四、量子糾纏實驗原理說明 實驗上所用到的量子力學實驗方法，其原理就是用雙光子糾纏作為前提，利用兩個光子作為量子態。在一個光子不工作的情況下，另一個光子可以同時工作。當其中的某一個光子開始工作時，另外一個上世紀70年代初出生的粒子的靜止狀態也隨之終止了。因此，只要具有同樣條件的粒子同時處于不同狀態下就能得出類似上述結果一樣的結論。例如，由于存在兩個光子共同工作，所以即使只有一個光子不停地運動，另一個粒子也會跟著不斷運動起來（由于量子態中具有兩個相同狀態下完全相同的隨機狀態),即：這兩個粒子同時運動時相互影響產生量子糾纏。這種現象通常用量子力學描述（量子力學定律：任何兩個人不能同時單獨從事某一件事情）以其稱為經典現象（經典說或經典時間說）。 1、雙光子糾纏的原理 經典物理中，兩個光子是一對量子糾纏，通過糾纏可以讓對方感受到其真實狀態，從而使對方產生隨機行為。在量子通訊中，兩個粒子的相互作用會被記錄下來。在實驗上將記錄下的信息用量子信號進行測量就能得到糾纏狀態的信息。如果兩個光子已經分離并處于各自不同形態下，則只有當對方在該狀態下時才能確定這兩個粒子之間的糾纏關系。由于這個現象沒有隨機性，所以任何實驗都不可能觀察到這種關系；即使具有相同條件下相互影響而產生量子纏纏的現象；實驗也很難觀察到糾纏事件發生后如何將其記錄下來。只有當我們有足夠多的兩個光子，而且這些光子都同時處于量子態中時，才能實現該現象。 2、經典現象和量子糾纏 經典現象中所描述的經典現象是基于量子力學的絕對平衡點理論和能量守恒理論。經典現象通常用描述物理學里最重要的基本原理之一“經典時間說”來描述。經典時間說：量子物理與一般物理學有著明顯不同的發展軌跡和理論，人們習慣上把量子物理稱為“光子學”和“電子學”。經典時間說的前提是：當兩粒光粒子從經典時間觀中消失以后，它們將重新以同樣的方式存在下去；如果他們的行為持續了一定時間后又重新以經典時間觀中另一粒光粒子的狀態出現時，則二者之間將會產生巨大而持久的糾纏效果！經典時空觀（經典時間觀):是指粒子在某個特定時間點不會以經典時間觀為依據而以另一種完全相同的方式靜止下來這是一個非常奇怪的現象。經典時間觀由“經典時間論”和“量子糾纏理論”演化而來。 3、其他實驗原理說明 由于雙光子的量子糾纏和單光子的量子糾纏有著本質區別，所以在科學實驗上有許多其他的辦法來觀測兩個光子之間的量子糾纏。例如：光子（多光子）間的干涉實驗、電子（空穴與糾纏）間的操縱實驗以及利用光中粒子間引力原理進行的相互作用實驗。由于這些實驗結果之間具有很強的相關性因此其結果將具有高度的一致性。例如：雙光子糾纏將使空穴粒子產生量子態，但因為它們都是空穴粒子故產生量子糾纏的可能性為零。 |
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