《電子技術(shù)應(yīng)用》
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真實(shí)的量子科學(xué)是什么樣的?

2023-01-02
來源:21ic

最近有關(guān)“量子波動速度法”的新聞讓筆者大跌眼鏡,習(xí)得此法,能在1-5分鐘看完一本10萬字左右的書籍,具體操作步驟如下:1,左手穩(wěn)住書脊;2,右手食指到小拇指拖住書背,3,大拇指壓住書邊,瘋狂將紙張送出;4,閉眼感受清風(fēng),那是知識的波動。

接著有媒體發(fā)現(xiàn),有機(jī)構(gòu)通過量子干預(yù)技術(shù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程接骨。不過該公司近日已經(jīng)人去樓區(qū),不少投資者直呼上當(dāng)。

外界果然傳的沒有錯,量子科學(xué)的確是一個考驗(yàn)智商的存在。

本周的薦書欄目所要推薦的是一本外行都能看懂的量子書籍——《貓、愛因斯坦和密碼學(xué):我也能看懂的量子通信》。該書屬于知乎一小時系列,短小精悍。

有江湖的地方就有門派,有門派就有撕逼,在20世紀(jì)初,物理學(xué)江湖在光的問題上,存在兩個門派——粒派、波派。如果光是粒子,它就像一個光滑的小球;如果是波,就可以解釋干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象。

這可如何是好,到底怎么站隊(duì)呢?你問為什么連這個問題都爭執(zhí),作者給出了回答“信仰!”科學(xué)家們都以為自己信奉的是真理。

直到1924年,終于有人大徹大悟:波or粒子,為什么不能兩者皆有呢?波和粒如同陰陽一般相生相克,就像一枚硬幣的正反兩面(波粒二象性),只不過我們一直以來都在盲人摸象、各執(zhí)一詞。

當(dāng)然,這離不開一個靈異實(shí)驗(yàn)——雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。

一束光,打到雙縫上,如果是純粒子,那就在背板上留下兩道杠,如果是純波,那屏幕上就出現(xiàn)斑馬線。如果是波粒二象性,那就是雜交混合體。

第一次實(shí)驗(yàn),得出標(biāo)準(zhǔn)斑馬線。粒子派不服氣,換個方法再做一次。

第二次實(shí)驗(yàn),采用點(diǎn)射,一次發(fā)射一個光子。結(jié)果,還是斑馬線。問題來了,為什么一個個過去還是斑馬線?粒子有精神分裂?

第三次實(shí)驗(yàn),在屏幕前加兩個攝像頭,看著它過去。結(jié)果發(fā)現(xiàn),并沒有光子分裂。詭異的是,屏幕上只出現(xiàn)了兩道杠。

這就是觀察者的魔咒,此時量子魔法時代的大幕,也在徐徐拉開。

通過前面的燒腦實(shí)驗(yàn),波爾總結(jié)了量子世界的三大基本原則:1,態(tài)疊加原理;2,測不準(zhǔn)原理;3,觀察者原理。

(備注:1,態(tài)疊加原理:在量子世界,一切事物可以同時處于不同的狀態(tài)(疊加態(tài)),各種可能性并存。比如,在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中,一個光子可以同時處在左縫和右縫。這種人類無法想象的疊加態(tài),才是最普通不過的本質(zhì)形態(tài);而在我們看來”正?!钡姆呛诩窗?,才是一種特例。

2,疊加態(tài)是不可能精確測量的。比如,精確測出了粒子的位置,但它的速度卻永遠(yuǎn)測不準(zhǔn)!這并不是因?yàn)閮x器精度不夠高,其實(shí),儀器再好都沒用。這個不可能是被宇宙規(guī)律所禁錮的”不可能”,而非”有可能但目前做不到”。

3,觀察者原理。雖然一切事物都是多種可能性的疊加,但是,我們永遠(yuǎn)看不到一個既左且右、又黑又白的量子物體。只要進(jìn)行觀測,必然看到一個確定無疑的結(jié)果。至于到底看到哪個態(tài)則是隨機(jī)的,其概率高低取決于疊加態(tài)中哪個態(tài)的成分居多。)

這樣就好解釋了:沒裝攝像頭:光子在未觀測的情況下處于”多種可能性并存”的疊加態(tài),以50%的概率同時通過了左縫和右縫,形成干涉條紋;

裝上攝像頭:光子被觀測后只能處于一個態(tài),不能神奇地同時穿雙縫了,所以干涉條紋就消失了。

很多人不服,這太反人類了,波爾的說法是,在觀測的一瞬間,光子隨機(jī)變成多種可能中的一種,過程叫“塌縮”。

而薛定諤拿出一只貓前來迎戰(zhàn)。也就是薛定諤的貓?!拓埻幰皇业倪€有個自動化裝置,內(nèi)含一個放射性原子:如果原子核衰變,就會激發(fā)α射線->射線觸發(fā)開關(guān)->開關(guān)啟動錘子->錘子落下->打破毒藥瓶,于是貓當(dāng)場斃命。

現(xiàn)在問題來了, 貓死沒死,跟開箱觀察沒有關(guān)系,不開箱就已經(jīng)是死貓或者活貓了。

而波爾那句話似乎可以改成:只要微觀粒子處于”可能被精確測量”的環(huán)境下,它就會自動塌縮,并不需要等待”觀察者”就位。

1996年,美國人夢露(男)用單個鈹離子制成”薛定諤貓態(tài)”并拍下了快照,發(fā)現(xiàn)鈹離子在第一個位置處于自旋向上的狀態(tài),而同時又在第二個位置自旋向下,而這兩個狀態(tài)相距80納米之遙!

這是人類有史以來第一次,親眼”看”到活生生的量子疊加現(xiàn)象。

2004年,潘建偉團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了多光子的薛定諤貓態(tài)。雖然這只貓的身材依舊苗條——渾身上下只有5個光子。

如果繼續(xù)增加粒子數(shù)量,是不是能把小貓慢慢喂肥成大貓呢?

然而,現(xiàn)實(shí)很殘酷:目前”薛貓”的最高紀(jì)錄,仍然是潘建偉2012年實(shí)現(xiàn)的8光子疊加態(tài)。要知道,為了增加區(qū)區(qū)3個光子,實(shí)驗(yàn)用了整整8年時間??上攵?,要讓貓身上億個原子同時處于量子疊加態(tài),絕非易事。

下面請出一個神器——粒子對撞機(jī)。

在對撞機(jī)中的母粒子被撞擊后,分裂成兩個更小的粒子A和B。因?yàn)槟芰渴睾阍?,子粒子能量相同,方向相反。比如說,因?yàn)槟噶W屿o止不動,所以分裂后的子粒子A向左邊飛,B一定往右邊飛,這樣才能左右抵消。同理,A的自旋(角動量)向上,B的自旋一定向下。

A和B這對龍鳳胎粒子,自打出娘胎起,他們的性別就沒確定,直到有人來看了一眼,這才瞬間分出男女!

然而和薛貓不同的是,箱子里的貓只有一只,孿生粒子卻有兩個。而且,這兩個粒子即使相隔很遠(yuǎn)很遠(yuǎn),疊加態(tài)也能保持不變。如同在千里之外,瞬間產(chǎn)生聯(lián)系……

愛因斯坦認(rèn)為,根本不存在薛定諤思想實(shí)驗(yàn)中那只不死不活的疊加態(tài)的貓。貓的死活在觀測之前就是定數(shù),只不過愚蠢的人類看不見箱子里發(fā)生的一切,只能推測出”50%活or 50%死”的概率。

然而,在薛定諤”孿生粒子”的思想實(shí)驗(yàn)中,兩個相距萬里的粒子,觀測出A的狀態(tài),也就知道B的狀態(tài),因?yàn)锳和B都是一個母粒子分裂而成的,B的狀態(tài)一定和A相反。

因?yàn)锳、B兩個粒子的命運(yùn)緊密相連,牽一發(fā)而動全身,所以薛老師給起了個性感的名字:量子糾纏。

這就好比如:母親把一雙鞋分給兄弟倆,他們各帶一只遠(yuǎn)走他鄉(xiāng)。中國的哥哥打開盒子發(fā)現(xiàn)是左腳,就知道弟弟帶到美國的另一只一定是右腳。

奇怪的是,根據(jù)量子力學(xué)的說法,弟弟那只鞋左還是右,不是他媽決定的,而是哥哥”打開盒子”的行為決定的。在哥哥看到左腳鞋的一瞬間,鞋里飛出一個神秘的信號,閃電般穿過千山萬水,通知美國的另一只鞋變成右腳!

這個速度能有多快?

無限快。

通過對粒子A的觀測,居然瞬間讓遠(yuǎn)方的粒子B的量子疊加態(tài)塌縮了——這被愛因斯坦斥為”幽靈般的超距作用”。

2008年的幽靈成像,側(cè)面證明了量子糾纏絕非幻想的最直觀的實(shí)驗(yàn)。

幽靈成像的原理通俗易懂:先把紅光子和藍(lán)光子”糾纏”到一起,然后兩者分開各走各路。紅光穿過狹縫打出一定形狀的圖案,藍(lán)光不穿縫正常走。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果絕對震撼:明明沒有穿過狹縫的藍(lán)光,竟然也投射出了與紅光相同形狀的圖像!

這次,你總不能說:光子在糾纏之前就已經(jīng)是那個形狀了吧!

這就意味著,我們可以遠(yuǎn)程發(fā)送圖像甚至視頻,而無論距離多遠(yuǎn)、哪怕從宇宙的另一端傳過來都是瞬時傳輸?shù)模舆t時間永遠(yuǎn)為0。

然而,這豈不是違反相對論(任何信息和物質(zhì)不能超過光速)的公理了嗎?

并沒有!

雖然信息是瞬時傳送過來了,但要把其中的亂碼剔除,提取出真正的內(nèi)容,還是必須把圖像用不超光速的傳統(tǒng)方式再發(fā)一遍。讓愛因斯坦操碎了心的”超光速”問題,原來只是杞人憂天!

2013年,Maldancena和Susskind發(fā)現(xiàn),量子糾纏和蟲洞(蟲洞即愛因斯坦·羅森橋)在數(shù)學(xué)模型上非常相似。他們猜想,量子糾纏也許就是一個微型蟲洞。

2013年,Maldancena和Susskind發(fā)現(xiàn),量子糾纏和蟲洞(蟲洞即愛因斯坦·羅森橋)在數(shù)學(xué)模型上非常相似。他們猜想,量子糾纏也許就是一個微型蟲洞。

量子糾纏中最神秘的現(xiàn)象”超距作用”其實(shí)并沒有超越光速,而是像蟲洞那樣穿越了時空。這就是為什么,孿生粒子能夠異地千里,同呼吸、共命運(yùn)的真正原因。

而在2010年Van Raamsdonk的獨(dú)立研究中,就發(fā)現(xiàn)了更為驚人的線索。

他建立了一個類似真實(shí)宇宙的三維宇宙模型,一旦在模型中去掉量子糾纏,時間和空間就會被打亂成碎片。

基于量子糾纏,可以造出比現(xiàn)在快1億倍的量子計(jì)算機(jī),而超距作用和貝爾不等式,則把量子糾纏變成了加密通信領(lǐng)域的終極武器。



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