怎样判断，两个粒子如何建立纠缠是否处于纠缠状态？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2024-03-16 09:15 标签： 两个粒子如何建立纠缠

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是关于量子力学理论最著名的预测。它描述了两个粒子互相纠缠，即使相距遥远距离，一个粒子的行为将会影响另一个的状态。当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。量子纠缠的本质就是量子的关联性。那量子为什么会纠缠，其本质又是什么呢？要想了解这一点，还是得提一下相对论，大家都知道当代物理学有两大基础 - 相对论和量子力学。在提出到现在这两个理论经受了很多严格的实验，其正确性是毫无疑问的。而目前两个理论在根本架构上的冲突之处是：量子场论是建构在广义相对论的平坦时空下基本力的粒子场上。如果要透过这种相同模式来对引力场进行量子化，则主要问题是在广义相对论的弯曲时空架构，无法一如以往透过重整化的数学技巧来达成量子化描述，没办法用数学技巧得到有意义的有限值。相对地，例如量子电动力学中对于光子的描述，虽然仍会出现一些无限大值，但为数较少可以透过重整化方法可以将之消除，而得到实验上可量到的、具有意义的有限值。所以说广义相对论的修改方向是这两点：1、引力的成因不是时空弯曲的。广义相对论的时空背景是弯曲的时空，但不是引力的成因。2、引力的本源是时空。且描述引力量子化的时候一定要用“微分”思维来化解时空弯曲的尴尬。但引力不是时空弯曲造成的。引力可以说是一种时空性质。它反过来又会影响时空构建。且引力的作用是以光速传递的。那么量子纠缠所引发的“超光速”的讨论是否对相对论理论构成了挑战呢？答案又是否定的！别忘了量子力学的两大支柱互补原理【波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们在更高层次上统一。】和不确定性原理【不确定性原理表明，粒子的位置与动量不可同时被确定】。所以在量子力学中微观粒子并不是界限分明的，而是一种行动诡异的“概率云”。这些粒子不会只存在一个位置上，也不会只从一个路线到达另一个位置。我们一般用波函数来描述这些粒子的行为和特征。而两个有共同来源的微观粒子之间，只要有一个粒子发生变化，另一个就会发生变化。这种变化是立刻发生的，这就是量子纠缠。大家有没有注意到，量子纠缠发生的机制是有限制的。并不是说随便两个粒子相距N千米距离远，都能发生量子纠缠。比如说地球上一个粒子不可能和100光年以外的一个粒子发生量子纠缠。两个或两个以上的粒子发生量子纠缠必须在一个系统中，而且粒子是有共同来源的。〈双光子系统〉比如：同一激光器产生光子场进行双偏分光，由于本身由同一激光器产生属`相干态''，那这二个分光产生的光子系统属〈相干纠缠态〉然后我们测量一个光子态某物理参量，会发现另一光子对应该物理参量也会同时改变，那么我们说对该〈双光子相干系统〉对该物理参量而言是一种量子纠缠态！量子纠缠说明在两个或两个以上的稳定粒子间，会有强的量子关联。例如在双光子纠缠态中，向左（或向右）运动的光子既非左旋，也非右旋，既无所谓的x偏振，也无所谓的y偏振，实际上无论自旋或其投影，在测量之前并不存在。在未测之时，二粒子态本来是不可分割的。那这样量子纠缠态产生原因就不难理解了，其实我们只要认为该双光子系统在分光前后是一个整体，那量子纠缠效应就很好理解了但实际上是这样吗？有人会说光子空间分离为二部分，怎么可能还是一个整体？关键点在于〈量子纠缠态〉的先决条件，双光子系统是一种相关联态，在没有解除相关联态前，它就是一个整体！量子力学是非定域的理论，这一点已被贝尔不等式【任何定域隐变量理论不可能重复量子力学的全部统计预言。】的实验结果所证实，因此，量子力学展现出许多反直观的效应。量子力学中不能表示成直积形式的态称为纠缠态。纠缠态之间的关联不能被经典地解释。所谓量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在非定域、非经典的强关联。量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题，并在量子计算和量子通信的研究中起着重要的作用。多体系的量子态的最普遍形式是纠缠态，而能表示成直积形式的非纠缠态只是一种很特殊的量子态。历史上，纠缠态的概念最早出现在1935年薛定谔关于“猫态”的论文中。其实从量子纠缠本身的系统就可以看出它与互补原理和不确定性原理有紧密关系。不确定性原理体现了“联系”，即位置和动量的联系。互补的原理体现了“矛盾与统一。”两者结合的必然结果就是“纠缠”。”而且贝尔不等式是永久成立了，不可出现爱氏思考的那样。即通过隐变量理论可以完整解释物理系统所有可观测量的演化行为，从而避免掉任何不确信性或随机性。而且干涉量子纠缠的时候，量子纠缠态会立即消除，也就是这种关联态函数的描述现象终止。这也是说明了，量子纠缠的“局域”性。它不会像引力那样，具有“广域”性。但整个量子力学的非定域，其实也是一种“广域”，在这种“光域”下量子纠缠遵从一定的法则存在。再通俗一点举例解释可以这样理解，两个或两个以上的粒子的量子纠缠态是一体的东西，在一个波函数描述之下，和距离无关。就好像是两个人坐一个跷跷板玩。A和B坐在上面的时候，就有了联系。A下去，B必然上来；相反B下去，A立刻上来。但我们不能说这种联系是超距的，也就是A和B之间的变化是超光速完成的。要知道这和A和B直接的距离“无关”，与他们之间的联系态有关。量子纠缠到底是什么？原来它才是罪魁祸首

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展开全部似乎在早期的宇宙中，万物本质上都是相互联系的。纠缠会非常均匀地分布，并且会以粒子的形式在量子汤中形成。在我们的宇宙中有一个过渡点，物质去电离并形成(主要是)氢。这时光子就可以移动了。这是纠缠进化的关键点。现在纠缠可以在遥远的物体之间移动，但要注意:似乎在早期的宇宙中，万物本质上都是相互联系的。纠缠会非常均匀地分布，并且会以粒子的形式在量子汤中形成。在我们的宇宙中有一个过渡点，物质去电离并形成(主要是)氢。这时光子就可以移动了。这是纠缠进化的关键点。现在纠缠可以在遥远的物体之间移动，但要注意:纠缠只能通过局部操作和经典通信(LOCC)从一个粒子转移到另一个粒子。这一点非常重要，也是为什么缠结不能比光通信更快的原因之一。纠缠只能通过“相互碰撞”的粒子或通过发射/吸收从一个量子实体到另一个量子实体携带纠缠的光子来转移。这意味着纠缠倾向于在局部被困住。太阳是一团沸腾的物质。纠缠态在太阳的中心不断地交换但是我读到过，在太阳的中心产生的光子需要数千年才能到达表面并释放出来。(这种过度简化有很多问题，但我只是用它来说明一个观点。)这些光子不可能使太阳和宇宙中的任何其他物体纠缠在一起，除非光子从太阳表面发出，并传播到另一个天体。如果你抬头看太阳，数百万光子可能会击中你的视网膜。每一个光子都会使你眼中的原子与太阳上的发射器纠缠在一起。如果你仰望夜空，你的眼睛正与遥远的星星纠缠在一起!很酷，但别太玄妙了。这并不意味着你可以通过这种方式与遥远的外星人建立心灵感应。纠缠是非常复杂的，不允许比光更快的通信。现在，这种与太阳(或恒星)的纠缠不仅存在于你眼中的单个原子中。纠缠会迅速扩散到与原子接触的实体上，然后扩散到与这些实体接触的物体上。纠缠的“相关性”与你体内数十亿个量子子系统混在一起。如果你在绝对真空中被冻结在绝对零度，甚至不散发热量(这也是不现实的)，那么你与太阳的纠缠就会永远困在你体内。但是，由于你一直在辐射红外线和/或坐在椅子上，你一直在与周围的世界交换关联。据我所知，不存在真正孤立的系统。一个被发射的光子仍然与它的发射体纠缠在一起。每个原子系统都与自身高度纠缠。原子壳层中的电子相互纠缠。在某种程度上，我还没有完全理解，我也读过“所有相同的粒子都纠缠在一起。”纠缠无处不在，但正如罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)在他的《通往现实之路》(The Road to Reality)一书中所说的那样，它“几乎是无害的”。在涉及到纠缠的实验中，发生的是纠缠的净化，通常是基于可观察到的测量(动量、自旋等)的特定类型的纠缠。这就像拿一根针到一件精致的纽扣衬衫上，试图梳理出一根线。这条线就是“纯净的纠缠”，但它仍然是一个更大整体的一部分。除非我弄错了，纠缠粒子将“纯粹地纠缠”在一个可观察对象上，但它们仍然会与其他量子实体(或彼此)在其他可观察对象上纠缠。为实验创建的偏振(水平|垂直)纠缠的光子对也在动量上相互纠缠，两者都是守恒量。实验通常只使用偏振(因为偏振比动量纠缠更容易处理)，但这并不意味着动量纠缠不存在!所以有不同的纠缠度，纠缠只能被转移使用LOCC。这些纠缠通常适用于子系统。我不认为任何东西都是“完全孤立”于所有其他子系统的，除了那些过于简化和令人困惑的例子!还有……有些科学家仍然说，只有这些可以用于实验的“有用的纠缠”才是“真正的”纠缠，但如果你读过那些一直研究纠缠的科学家的书，他们通常会承认，宇宙确实是一个纠缠得非常混乱的宇宙。已赞过已踩过你对这个回答的评价是？评论
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著者：黄姤 / 黄媂@太空生物学 / @天体生物学←（向左滑）如果您觉得我的文章还不错，请您点击关注、推荐阅读、评论和转发，您的每一次点击都是我创作文章的动力。生活中，我们也许会有这样奇怪的感觉：比如，入秋的第1天早晨，你出门刚刚觉得有点冷时，这个时候你的妈妈打来电话催促你该穿秋裤了。比如，你正在想你的女朋友时，她的电话就打过来了。还比如，双胞胎的其中一人受伤时，另外一人会莫名其妙地跟着也疼。不知是巧合还是现实，有时明明相距甚远的两个人、两件事，突然就会有息息相通、不谋而合的情况，有人称之为——心灵感应。科学家一般来说是不认可心灵感应的。长期以来他们都认为心灵感应只是一种巧合，甚至是迷信，可是在「量子力学」领域，铁一般的实验事实面前，科学家还不得不承认一些比心灵感应还要灵异的科学现象，这种科学现象就是——「量子纠缠」。「薛定谔的猫」其实涉及的核心问题是量子的不确定性原理，有一个成语叫做“不自量力”，如果用在量子力学方面的话，我想它的意思应该就是·不要妄图以为自己懂得量子力学。这是因为电子、原子、光子这些微观粒子的性质，与我们日常生活中所接触到的事物是完全不同的，这些差异有时可不仅仅是不能理解这么简单，是完完全全的不可理喻、不能接受，其中有一个很重要的方面就在于这些粒子的状态是不确定的，这种不确定性是完完全全的不确定的。无论你是“先知”还是“神仙”，在进行具体的测量之前，你都不可能知道一个量子的确切状态是什么，只能根据概率进行推算。量子的世界就是如此这般，充满了不确定性，你永远无法预测下一个某个微观粒子的状态，你只能知道的是，这个微观粒子的某种状态的概率是多少，仅此而已。举例说明：以电子的自旋为例当电子从磁场中穿过时，自旋有可能变为向上、也可能变为向下，具体是哪种结果却是完全随机的，这种随机是真正的随机，在你对电子测量之前谁都无法得知它的状态，这是因为这个电子的状态实际上是在你测量的时候才能决定的。当年丹麦物理学家尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔(Niels Henrik David Bohr，1885年10月7日-1962年11月18日)提出「不确定性原理」时，很多人是无法接受这个现实的，这其中就包括“爱波罗组合”，实际上这个组合是三位科学家，他们分别是爱因斯坦、波多尔斯基、罗森，“爱波罗组合”不肯相信波尔所说的——量子是随机的。于是，在1935年“爱波罗组合”联合发布了一篇论文，论文中提到了一个非常著名的问题，这个问题被称为「epr悖论」，「epr悖论」描述了这样一件事情——有一天，有一个粒子本来好好地呆着，突然受到了外力作用一分为二，分裂成了A粒子和B粒子，分别向不同的方向飞去，越飞越远，根据「动量守恒定律」，两个粒子必然其中一个是左旋的，另一个是右旋的，或者相反。又根据「量子力学」的原理，在测量两个粒子的状态之前，它们两个都处于左旋或者右旋的叠加状态之中。可是当然两个粒子越飞越远之时，测量A粒子的状态，发现它是左旋的，此时B粒子必定是右旋的。图解：“爱波罗组合”「量子力学」认为粒子的状态是在测量的瞬间决定的，因此只有在测量A粒子状态的时候才决定它是左旋的，而相距甚远的B粒子在此时才能决定是右旋的。「量子纠缠」的关键点在于——A粒子和B粒子无论相距多么遥远，只要A粒子被测量出了显示左旋或者右旋的状态，那么B粒子一定就是相反的状态。此时就会带来一个令人困惑的问题，B粒子怎么能够瞬间就知道A粒子被测量了呢？难不成它们俩联系的速度已经超过了光速吗？从宏观的角度上来看，这种机制似乎违反了「相对论」的限制，任何物体都不可能传播的速度比光速还要快，宇宙中怎么可能有比光速还要快的物质和信息呢！从经典物理的认识上来看，量子纠缠就完全无法解释得通嘛！当年，多数人是不会相信量子纠缠的，谁也不相信两个粒子竟然能够瞬间产生如此远距离的作用，这不就是科学家一直摒弃的心灵感应吗？但是近几十年实验物理学家通过种种的实验已经证实了，两个相距遥远的粒子就是能够瞬间感应到彼此。如果您对上面的粒子理解起来有那么一丝丝的困难，我可以再举另外一个例子，这个例子叫做“量子臭袜子”。举例说明：“量子臭袜子”假如，你在家中是一个懒汉，袜子一穿就是几天从来不洗，每次脱下来就是随手一扔。有一天，你的妈妈在墙角发现了一只臭袜子，这只袜子已经连续被你穿了好几个星期，臭气熏天，打个不恰当的比方就是臭的都能自己站起来，更重要的是经过你这么一穿，袜子已经变得模糊、分不清左右了，它变成了一只“量子袜子”，而且是处于左脚和右脚叠加状态的“量子袜子”，与这只袜子配套的，还有另外一只“量子袜子”，同样臭气熏天，同样穿了好几个星期，同样也分不清左右了，处于左脚和右脚的叠加状态。不幸的是，在前一天的晚上，你家的狗实在受不了另外一只袜子的味道，把它扔进了垃圾桶，你勤劳的爸爸刚进家门就把垃圾给扔了，这另外一只“量子袜子”已经送达了垃圾回收站。一对左右分明的袜子经过你的这么一穿，由于脚气的威力实在过于巨大，两只袜子已经都处于左脚和右脚的叠加状态了，可毕竟两只袜子是当年一起买的，所以只可能一只是左的，一只是右的。因此当你忍住臭味确定家中墙角的那只袜子是穿在左脚上的时候，与此同时垃圾回收站的另外一只就一定是右脚上的。总之，两只袜子就是这样的状态，两者必须同时处于叠加状态或者确定的状态，当一方的状态确定时，另一方的状态也随之确定，并且当其中的一只确定为左脚或者右脚之时，另一只一定会是右脚或者左脚，这两只臭袜子当对其中的一只仔细辨别发现是左脚时，另外一只必然是右脚的，无论它俩的距离有多么遥远，哪怕你的两只袜子一只在天狼星上，另一只在半人马座α星上，只要其中的一只袜子被辨别了左右，另外一只袜子就能够瞬间地感受到这种效应，变成了一只配套的单袜了。上面就是量子袜子”的例子，为了更好地解释「量子纠缠」，最重要的一件事就是理解——瞬时。总结一下：所谓的「量子纠缠」指的是在「量子力学」的领域，具有纠缠态的两个粒子，无论相距多么遥远，都能够以一种非常奇妙的方式纠缠在一起，瞬间共享它们的物理状态，具有纠缠态的两个粒子，再远都没有关系，只要其中的一个状态发生变化，就好像它们彼此都在对方面前一样。量子纠缠使得「定域性」受到了挑战“爱波罗组合”的思想实验一经提出，人们再次陷入了深思，似乎有什么重要的定理又要被否认了，经典的物理学有三个基本假设，它们分别是「守恒律」、「确定性」和「定域性」。「守恒律」指的是，一个系统中某个物理量不会随着时间的改变而改变的定律。最简单的守恒律是1+1=2，这也是我们这个世界的基石，很难想象如果有一天人们算出来1+1 ≠2了，这个世界将会如何的崩塌。物理界的守恒律其实有很多，比如能量守恒、动量守恒、角动量守恒等等。「确定性」指的是，从经典物理的规律出发就能够得到确定的解。比如，我们通过时间和速度相乘就能够得到路程。「定域性」指的是，一个特定的物体只能够被它周围的“力”所影响，也就是说两个物体之间的相互作用必须以波或者粒子作为中介才能够进行传播，简单点来说，地域性就是指两个物体不可能平白无故地发生相互作用。可是当我们接收了量子力学的不确定性后，就必须承认在“爱波罗组合”的思想实验中，守恒律和定域性其中之一就要被否定了，量子力学在之前已经表现出了对守恒定律的遵守，所以此时就不得不承认「定域性」遭受到了挑战，也就是说，两个纠缠的粒子就算距离再远，也能够瞬时给对方施加影响，如同心灵感应一般不需要任何过程。爱因斯坦也觉得这件事情实在太过蹊跷，当年给它取了一个名字叫做—— 「幽灵般的超距作用」。这里就会有一个重要的问题，量子纠缠使得「定域性」受到了挑战，两个相距遥远的粒子之前产生的作用，这种作用已经超过光速了，难道相对论要失效了吗？当然不是。目前我们还没有发现爱因斯坦相对论失效的证据，量子可以超光速，但是它不违背相对论，这是因为相对论只限制了信息的传播速度不能超过光速，宇宙中确实有一些超越光速的存在，比如宇宙的膨胀速度就可以超过光速，但是宇宙膨胀本身不会传递信息，所以不能说宇宙膨胀的速度超过光速就违背了相对论。同样的，量子之间存在超距作用，但是这种超距作用不会传递信息，在量子力学中两个纠缠的粒子状态是完全随机的，测量所得到的结果也是完全随机的，通过两个遥远距离相互纠缠，粒子之间的同步变化所能传递的也仅仅只是一些随机的信号，我们无法通过这些随机的信号获取任何有用的信息。举例说明：「量子」就像一个不听话的打字员，当你想要给对方传送一个零时，这位打字员却偏偏不会这么做，一直在键盘上随机地敲打，即使对方得到了一串字符，但这串字符中也不包含任何可用的信息。这是因为根据定义来看，信息是能够减少系统的不确定性的内容，量子纠缠既然不能减少系统的不确定性，自然无法传递任何信息，也就不违反相对论了。黄姤结语·「量子」究竟在纠缠些什么呢？为什么会产生量子纠缠呢？也许你会说这是因为量子的不确定性原理，两个相关联的粒子之前都处于叠加状态，当测量改变了它们的状态时，它们的状态需要同步地改变，那么你接着会问，为什么量子会有不确定性呢？测量量子状态之时又发生了什么样的事情呢？恐怕这样的问题谁也回答不上来了，科学家根据理论得到了很多结论，这些结论和实验结果符合地很好，所以现阶段我们就认为这些理论是正确的。根据量子力学的理论，推导出来了量子之间会产生纠缠，只知道这种纠缠和实验结果符合得非常好，目前也只能做到这些，其实很多问题如果我们多问几个为什么！问题就会没有答案。比如牛顿的苹果为什么会从树上掉下来这个经典的问题，你会说苹果从树上掉下来是因为万有引力，地球在吸引着苹果，那么我问你为什么会有万有引力呢？你会说这是因为广义相对论，有质量的物体会使时空弯曲，那我问你为什么有质量的物体会使时空弯曲呢？这个问题恐怕就连爱因斯坦也无法回答了，我们只能告诉你，这个理论是由爱因斯坦提出的，它和多数的实验和观测结果符合得非常好，在现阶段我们就是认为广义相对论是正确的。事实上，只要我们针对某一个简单的问题一直追问下去，不出几个回合就达到了人类目前认识水平的极限，所以对于量子纠缠所产生的最深层次的原因，其实谁也不知道，我们只知道反正目前世界上所有的实验室所做出的实验都认为量子纠缠是确实存在的。有人认为，量子纠缠其实是两个量子在高维度空间的零距离，我们看到的三维空间只是这个高维空间的投影，这种说法严格意义上没有什么毛病，但关键点在于这种说法在现阶段很难去证明，也很难去证伪，因为现阶段甚至连高维空间长成什么样都无法得知，更何况去验证它呢！所以对量子纠缠这种鬼魅一般的效应，在现阶段我们只能接受就好了，至于为什么会纠缠！怎样纠缠！纠缠什么！目前来说谁也不知道，我们只能留给后来人了。

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