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科学家证实量子纠缠是真实的吗?爱因斯坦错了吗?

科学家通过实验证明量子纠缠是真实的。

每年的诺贝尔物理学奖都是重头戏,2022年的诺贝尔物理学奖被颁发给三位科学家分别是:法国物理学家阿兰·阿斯佩、美国理论和实验物理学家约翰·克劳泽以及奥地利物理学家安东·塞林格,三位科学家将共享1000万瑞典克朗,相当于650万人民币。

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2021年关于诺贝尔物理学奖大家的预测就是量子力学完备性的贝尔不等式证明,但最后却被地球环境领域的科学家拔得头筹,但是好饭不怕晚,2022年诺贝尔物理学奖如约而至,就是关于量子信息科学方面的研究。

说到量子信息科学,我国的领军人物就是中科院院士潘建伟,而这一次的获奖的就有潘教授的恩师塞林格。有些网友不解,为什么潘建伟没有获得诺奖?

其实道理并没有那么复杂,潘建伟院士的工作主要是应用并非是开创性的基础科学,而诺奖更加偏爱那些从0到1的科学贡献,而从1-100无论做的有多好都算是前人栽树后人乘凉了。

量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子缠结量子纠缠(quantum entanglement)。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象;在经典力学里,找不到类似的现象。

量子纠缠与量子系统失序现象、量子信息丧失程度密切相关。量子纠缠越大,则子系统越失序,量子信息丧失越多;反之,量子纠缠越小,子系统越有序,量子信息丧失越少。因此,冯诺伊曼熵可以用来定量地描述量子纠缠,另外,还有其它种度量也可以定量地描述量子纠缠。对于两体复合系统,这些纠缠度量较常遵守的几个规则为 [3]  :
    1. 纠缠度量必须映射从密度算符至正实数。
    2. 假若整个复合系统不处于纠缠态,则纠缠度量必须为零。
    3. 对于纯态复合系统,纠缠度量必需约化为冯诺伊曼熵。
    4. 对于命定性的定域运算与经典通讯(local operation and classical communication)变换,纠缠度量不会增加。
对于两体纯态,只有冯诺伊曼熵能够量度量子纠缠,因为只有它能够满足某些量度量子纠缠必须遵守的判据。对于混合态,使用冯诺伊曼熵并不是能够量度量子纠缠的独有方法。
假设一个量子系统是由几个处于量子纠缠的子系统组成,而整体系统所具有的某种物理性质,子系统不能私自具有,这时,不能够对子系统给定这种物理性质,只能对整体系统给定这种物理性质,它具有“不可分性”。不可分性不一定与空间有关,处于同一区域的几个物理系统,只要彼此之间没有任何纠缠,则它们各自可拥有自己的物理性质。物理学者艾雪·佩雷斯(Asher Peres)给出不可分性的数学定义式,可以计算出整体系统到底具有可分性还是不可分性。假设整体系统具有不可分性,并且这不可分性与空间无关,则可将它的几个子系统分离至两个相隔遥远的区域,这动作凸显出不可分性与定域性的不同──虽然几个子系统分别处于两个相隔遥远的区域,仍旧不可将它们个别处理。在EPR佯谬里,由于两个粒子分别处于两个相隔遥远的区域,整体系统被认为具有可分性,但因量子纠缠,整体系统实际具有不可分性,整体系统所具有明确的自旋z分量,两个粒子各自都不具有。
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回归主题,此次三位科学家获得2022年诺贝尔物理学奖,主要的贡献便是验证贝尔不等式不成立方面的先驱性工作。

什么是贝尔不等式?为何跟量子纠缠有关?为什么要说爱因斯坦错了哪?其实这一切都要从爱因斯坦和以波尔为首的哥本哈根派之间的论剑开始,论剑的内容便是量子力学。

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背景

我们都知道二十世纪物理学有两大支柱,相对论和量子力学,爱因斯坦靠一己之力提出狭义相对论和广义相对论,对牛顿的经典力学给予重击,当然相对论的提出并不是彻底否定经典力学,而是一种修正。

而爱因斯坦也算是量子力学的奠基者,爱因斯坦获得的诺奖就是光量子理论,首次提出光是一份份能量的概念即光量子,解释了光电效应,其实这也算是为量子力学的横空出世打开了大门。

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有些朋友可能会问爱因斯坦既然是量子力学的奠基者,为什么到最后还要反对量子力学?

其实这是一种误解,爱因斯坦反对的并不是量子力学,而是哥本哈根派对量子力学的诠释。可以简单举一个例子,量子力学就像是被爱因斯坦看中的小宝宝,但是小宝宝长着长着遇到一群坏哥哥,至少在爱因斯坦眼中是这样的。

它们将绝对量子力学未来朝着哪个方向发展,爱因斯坦就不高兴了,好好的栋梁之才都要被坏哥哥带坏了。而这群坏哥哥就是哥本哈根派,他们提出不确定性原理,把量子力学弄地越来越“玄幻”。

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例如双层干涉实验,一个光子通过双缝之后在屏幕上呈现,那么这个光子到底是通过左缝隙还是右缝隙,哥本哈根派的解释就是光子同时通过了左缝和右缝,这种说法相当玄幻了,跟宏观世界产生冲突。但是通过不确定性原理来解释,这种现象是存在的。

对于哥本哈根派对量子力学的诠释,老一派物理学家都是难以接受的,例如薛定谔的猫思维实验就是在嘲讽量子力学的不确定性原理,而爱因斯坦也给出了反击,那就是EPR实验。

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关于EPR实验

所谓的EPR实验现在应该称之为EPR佯谬,就是因为爱因斯坦错了。当然这个我们后续再谈,1935年5月爱因斯坦同物理学家波多尔斯基和罗森在第47期《物理评论》杂志上,发表了一篇论文名字为《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》,在这篇论文中的核心思维实验被命名为EPR实验,也就是以三位作者名字首字母来命名的。

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这个实验的大体意思便是一个基本粒子在空中飞行,受到外力后一分为二,我们暂时把这两个粒子称之为A粒子和B粒子,假设这两个粒子飞到宇宙的两端,总之是距离非常远。

这个时候我们去观测A粒子的自旋状态,如果按照不确定性原理,在没观测之前它是不确定的(简单理解成既左旋又右旋),如果A粒子是左旋的,那么B粒子必须是右旋(已知的理论已经证明)。那么问题来了,B粒子是如何知道A粒子的自旋状态?两个粒子相隔那么远,岂不是要超光速信号传播了?

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这就是著名的EPR思维实验,在当时的环境下不超光速已经被所有科学家认可,也算是一条铁律,那么该如何解释哪?其实我们可以看到,这就是量子纠缠了,而波尔给爱因斯坦的回复也是如此,无论两个粒子相距有多远都算是处在纠缠状态,属于一个粒子。

关于贝尔不等式

科学上争论再多都没有意义,拿出实验证明一下就可以让所有人闭嘴,贝尔设计出了一个贝尔不等式,让EPR从思维实验走向实验室。

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如果是实验证明贝尔不等式成立,那就说明A粒子和B粒子在分开的那一瞬间就决定了自旋的方向,这也说明爱因斯坦是正确性,哥本哈根派的不确定性原理是错误的。

而如果证明贝尔不等式不成立,那就说明A粒子和B粒子自旋状态并非是在分开瞬间确定的,换一句话说就是:爱因斯坦错了,EPR实验变成了EPR佯谬!

首次EPR实验严格检验,爱因斯坦错了

人类历史上对于EPR实验进行首次严格意义的实验检验是在1982年,被称为“阿斯派克特实验”。从这个名字我们就可以知道,这个项目的带头人就是此次诺贝尔物理学奖的获得者之一法国物理学家阿兰·阿斯佩。

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总之这位科学家的的实验证明了爱因斯坦输了波尔,同时也说明了哥本哈根派对于量子力学并不算是坏哥哥,不确定性原理是正确的,而量子纠缠也真实存在,并且它也是目前公认的三种超光速现象之一,当然量子纠缠的超光速并不涉及到信息的传递过程。现在基于量子纠缠的量子通信技术,也并不是用来传递信息,而是加密。

其实早在2011年这三位科学家就被提名诺贝尔物理学奖,但最终被从事宇宙膨胀理论研究的科学家拔得头筹,这一次终于没有再错过!恭喜!

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