微觀相干量子退相干,宏觀相見相識再分別,兩個世界邊界在哪裡?

2020-12-07 科創天

有一定科技基礎的小夥伴們一起來思考,薛丁格的貓是量子糾纏的很形象的假設,既相關又不相干,在微觀世界兩個相干量子無視距離可以相互影響,在宏觀世界,一顆長滿瓜子隨著太陽轉動的向日葵,瓜子落地後不再做一樣的動作,長成兩顆獨立的向日葵。

用我理解的白話先描述下量子退相干

量子相干性,也可以稱為「態之間的關聯性」。來源於愛因斯坦在1935年做的一個假想實驗:

在高能加速器中,由能量生成一個電子和一個正電子,它們朝著相反的方向飛行。在沒有被觀測的時候,它們都處於向右自旋和向左自旋的疊加態;被觀測的時候,如果觀測到電子處於向右自旋的狀態,那么正電子就一定處於向左自旋的狀態,因為正電子和電子必須遵循能量定律。

電子向右自旋和正電子向左自旋的狀態,是相關聯的,這一現象稱作量子相干性。 除了電子具有量子相干性,科學家後來發現其它亞原子系統也具有量子相干性,如光子。

量子態的相干性非常脆弱,很容易被破壞。量子相干性被破壞,就叫做量子退相干。

退相干,在維基百科裡,這樣解釋:在量子力學裡,開放量子系統的量子相干性會因為與外在環境發生量子糾纏而隨著時間逐漸喪失,這種效應叫做量子退相干(Quantum decoherence)。

我們可以簡單粗暴地理解為,退相干就是兩個相關事物在外在環境的耦合下,兩者的相關性被抹平,最後變成兩個真正獨立、毫無相關的個體。

這是時常發生的事情,相見,相識,再分別,然後再也不見。包括父母與子女,似乎熵的離散便是這個宇宙的主旋律。

退相干比喻

是否可能找到量子微觀世界和宏觀世界之間的邊界

奧地利物理學家打造出「量子微波雷達」的原型。傳統雷達在強幹擾環境中無法傳輸物體圖像,這款原型通過利用量子「糾纏」光粒子實現了這一目標。相關研究結果發表在《科學進展(Science Advances)》科學期刊。

奧地利物理學家打造出「量子微波雷達」

多年來,科技學院的物理學家一直致力於研究量子力學的主要基礎問題之一:為什麼包括量子糾纏在內的粒子世界許多特殊現象,無法用肉眼甚至無法用顯微鏡看到。

科學家目前認為,量子通信無法連接比如兩個蘋果這樣的物體。這是由於這些物體的量子通信受到「量子退相干」影響而消失。「量子退相干」是量子「糾纏」的物體與原子、分子、其他物質和環境力相互作用後發生的現象。

按照這種邏輯,物體越大,它與環境的接觸就越頻繁,連接到其他粒子和物體的量子通信消失速度就越快。這種想法引發了關於「量子力學從何處開始和結束」「量子力學是否會影響大型物體的行為」「是否可能找到量子微觀世界和宏觀世界之間的邊界」的討論。

鳥類利用地磁場遷徙,可能與量子相干現象有關。生命可能是利用量子力學的高手。生命可能是利用量子力學的高手。牛津大學的研究人員通過研究知更鳥來研究鳥類的化學導航系統。當寒冷天氣逼近時,歐亞鴝能穿越幾千公裡從北歐飛到北非。他們發現,當陽光的光子擊中歐亞鴝的視網膜時,它會釋放出兩個不成對的電子,每個電子的自旋會根據磁場進行調整。換句話說,歐亞鴝就像可以「看見」地球磁場,從而準確知道如何從北遷徙到南。2008年,牛津大學的物理學家 Simon Benjamin 用實驗證明這在化學上是可能的。他認為這是通過量子糾纏來實現的。除了鳥類,昆蟲和其他生物也能以這種方式定位自己。

一隻蚯蚓所有的動作都是本體唯一的,但是一切為二,立刻成為互不相干的兩個獨立體,雖然是其生物能力所致,但是再細化下去,為什麼不會出現兩兩隻完全相同的蚯蚓?是不是跟微觀世界中的量子退相干有一定聯繫?小夥伴們可以繼續腦洞了……說不定比什麼XX筆記和X吹燈更玄妙,哈哈。

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    研究表明,混凝土牆壁中微量元素和宇宙射線發出的低強度、無害的環境輻射足以導致量子比特的退相干。科研人員發現,如果不加以控制,這種輻射會將量子比特的性能限制在幾毫秒之內。要知道,近年來的量子比特的相干時間一直以指數級增長,性能最好的超導量子比特的相干時間從 1999 年的不到 1 納秒,提高到了今天的約 200 微秒。
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