量子四重奏:量子论、量子力学、量子纠缠、量子通信

发布时间:2018年11月08日 来源:今日头条 作者:星宇飘零2099 浏览量:28次

量子论一般是指旧量子论,最早由普朗克在解释黑体辐射时引入的最小能量单位,后来被爱因斯坦通过对光量子化解释光电效应后一步步发展起来的,在早期量子论中,爱因斯坦是主要的研究者之一,所以爱因斯坦是量子论的主要奠基人。现在一般把普朗克、爱因斯坦等人发展起来的经典量子论称为旧量子论,以区分玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克等人发展起来的量子力学。

量子四重奏:量子论、量子力学、量子纠缠、量子通信

年轻时帅得不要不要的普朗克

量子力学是在研究双缝干涉实验时发现的诡异现象所提出的一套反常识的微观力学。里面产生一系列与常识相悖的现象,以致量子论的奠基人爱因斯坦等人都拒绝接受。特别是海森堡提出不确定性原理,剥夺了爱因斯坦一贯信奉的决定论。更有趣的是量子力学的主要奠基人——波动力学的创立者薛定谔也拒绝接受不确定性原理。薛定谔提出的波动力学能完美描述微观粒子在被测量前的行为,但是一旦发生测量,波动力学好像就失效了。然后海森堡提出的矩阵力学又完美接棒解释了测量后的粒子行为。然而矩阵力学却又解释不了测量前的状态,这就尴尬了_(:D)∠)_玻尔为代表的哥本哈根学派唯有提出一个波函数坍缩的过程来连接两套力学,并利用互补原理解释两套力学为什么不能同时发挥作用。最后玻恩证明两套力学是等价的。这种强行拼凑爱因斯坦当然是不卖账了,连“被拼凑”的薛定谔也不卖账,两人先后提出EPR佯谬和薛定谔的猫来给哥本哈根学派的量子力学致命一击,结果就引出了第三个玩意——量子纠缠。

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最佳辩友玻尔和爱因斯坦

量子纠缠源自爱因斯坦、波多尔斯基、罗森共同提出的EPR佯谬,据说原始论文里的描述相当复杂,一般人看不懂_(:D)∠)_幸好我们有万能的科普,把它简化到小学生都看得懂的的样子。简化版是:当用特殊的方式产生一对互相纠缠的量子对,根据哥本哈根诠释,它们的状态在被测量前是不确定的,如果把这对纠缠量子对分离开一光年远,然后测量其中一个,再次根据哥本哈根诠释,它会马上随机坍缩为一个确定的量子态,而由于纠缠量子对符合某种守恒定律,另一个未知的量子态就会同时被确定,也就是说另一个粒子也同时坍缩了。那么问题来了,那飘到一光年外的另一个粒子是怎么知道该坍缩到哪个量子态的呢?在爱因斯坦看来,这就需要那个被测量的粒子把自己随机坍缩到的量子态告知飘到一光年外的另一个粒子,这就需要在两个粒子间传递信息了,然而根据狭义相对论,信息传递是不能超过光速的,那么另一个粒子就得等一年后才能知道该如何坍缩。然而根据守恒定律它又必须马上坍缩_(:D)∠)_这就很尴尬了。。。当然万能的玻尔是不服输的,很快他就找到了解决方案:纠缠的量子对是一个整体,在测量前不能把它视作两个不同的个体,测量导致波函数坍缩后它们才成为两个个体。这解释相当野蛮,爱因斯坦当然不服了,不过也没法说啥了。。。

后来的事大家都知道了,科学家设计了一个称为贝尔实验来验证了量子纠缠,量子力学是对的,爱因斯坦错了。但注意,是量子力学是对的,也就是纠缠量子对确实是随机坍缩的,也确实是超过光速传递信息的速度坍缩的。但没证明玻尔的野蛮解释是对的╮(╯_╰)╭

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量子纠缠

最后是量子通信。这主要也是基于前面提到的那个测量前的不确定状态,也就是量子力学里的叠加态。而量子通信并不是像很多人理解的那样通过量子纠缠实现超光速通信,这条路在理论上是行不通的,目前的量子通信主要还是用于加密方面,由于量子测量坍缩的随机性,通过巧妙的方法就可以实现加密通信,这方面的方案有好几种,比如我国墨子号所用的是BB84协议,这个早在80年代就提出了,有些人认为量子加密通信是潘建伟忽悠人,实际上这方案早就有了,潘建伟只是把它做出来,并且做到天上去了O(∩_∩)O~而这个加密方案并没有使用量子纠缠。另一个保密通信方式是反事实通信,这是反其道而行利用量子芝诺效应实现的。

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墨子号量子实验卫星

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