量子四重奏:量子論、量子力學、量子糾纏、量子通信

2020-12-06 星宇飄零

量子論一般是指舊量子論,最早由普朗克在解釋黑體輻射時引入的最小能量單位,後來被愛因斯坦通過對光量子化解釋光電效應後一步步發展起來的,在早期量子論中,愛因斯坦是主要的研究者之一,所以愛因斯坦是量子論的主要奠基人。現在一般把普朗克、愛因斯坦等人發展起來的經典量子論稱為舊量子論,以區分玻爾、海森堡、薛丁格、狄拉克等人發展起來的量子力學。

年輕時帥得不要不要的普朗克

量子力學是在研究雙縫幹涉實驗時發現的詭異現象所提出的一套反常識的微觀力學。裡面產生一系列與常識相悖的現象,以致量子論的奠基人愛因斯坦等人都拒絕接受。特別是海森堡提出不確定性原理,剝奪了愛因斯坦一貫信奉的決定論。更有趣的是量子力學的主要奠基人——波動力學的創立者薛丁格也拒絕接受不確定性原理。薛丁格提出的波動力學能完美描述微觀粒子在被測量前的行為,但是一旦發生測量,波動力學好像就失效了。然後海森堡提出的矩陣力學又完美接棒解釋了測量後的粒子行為。然而矩陣力學卻又解釋不了測量前的狀態,這就尷尬了_(:D)∠)_玻爾為代表的哥本哈根學派唯有提出一個波函數坍縮的過程來連接兩套力學,並利用互補原理解釋兩套力學為什麼不能同時發揮作用。最後玻恩證明兩套力學是等價的。這種強行拼湊愛因斯坦當然是不賣帳了,連「被拼湊」的薛丁格也不賣帳,兩人先後提出EPR佯謬和薛丁格的貓來給哥本哈根學派的量子力學致命一擊,結果就引出了第三個玩意——量子糾纏。

最佳辯友玻爾和愛因斯坦

量子糾纏源自愛因斯坦、波多爾斯基、羅森共同提出的EPR佯謬,據說原始論文裡的描述相當複雜,一般人看不懂_(:D)∠)_幸好我們有萬能的科普,把它簡化到小學生都看得懂的的樣子。簡化版是:當用特殊的方式產生一對互相糾纏的量子對,根據哥本哈根詮釋,它們的狀態在被測量前是不確定的,如果把這對糾纏量子對分離開一光年遠,然後測量其中一個,再次根據哥本哈根詮釋,它會馬上隨機坍縮為一個確定的量子態,而由於糾纏量子對符合某種守恆定律,另一個未知的量子態就會同時被確定,也就是說另一個粒子也同時坍縮了。那麼問題來了,那飄到一光年外的另一個粒子是怎麼知道該坍縮到哪個量子態的呢?在愛因斯坦看來,這就需要那個被測量的粒子把自己隨機坍縮到的量子態告知飄到一光年外的另一個粒子,這就需要在兩個粒子間傳遞信息了,然而根據狹義相對論,信息傳遞是不能超過光速的,那麼另一個粒子就得等一年後才能知道該如何坍縮。然而根據守恆定律它又必須馬上坍縮_(:D)∠)_這就很尷尬了。。。當然萬能的玻爾是不服輸的,很快他就找到了解決方案:糾纏的量子對是一個整體,在測量前不能把它視作兩個不同的個體,測量導致波函數坍縮後它們才成為兩個個體。這解釋相當野蠻,愛因斯坦當然不服了,不過也沒法說啥了。。。

後來的事大家都知道了,科學家設計了一個稱為貝爾實驗來驗證了量子糾纏,量子力學是對的,愛因斯坦錯了。但注意,是量子力學是對的,也就是糾纏量子對確實是隨機坍縮的,也確實是超過光速傳遞信息的速度坍縮的。但沒證明玻爾的野蠻解釋是對的╮(╯_╰)╭

量子糾纏

最後是量子通信。這主要也是基於前面提到的那個測量前的不確定狀態,也就是量子力學裡的疊加態。而量子通信並不是像很多人理解的那樣通過量子糾纏實現超光速通信,這條路在理論上是行不通的,目前的量子通信主要還是用於加密方面,由於量子測量坍縮的隨機性,通過巧妙的方法就可以實現加密通信,這方面的方案有好幾種,比如我國墨子號所用的是BB84協議,這個早在80年代就提出了,有些人認為量子加密通信是潘建偉忽悠人,實際上這方案早就有了,潘建偉只是把它做出來,並且做到天上去了O(∩_∩)O~而這個加密方案並沒有使用量子糾纏。另一個保密通信方式是反事實通信,這是反其道而行利用量子芝諾效應實現的。

墨子號量子實驗衛星

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