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科普:解开羁绊

admin 2019-05-11 162人围观 ,发现0个评论

咱们经常在新闻中看到量子计算机、量子密码学和“量子……”等概念。与量子有关的文章会不可避免地说到羁绊,正是羁绊这一量子物理学性质,使得一切这些奇特的设备成为或许。

爱因斯坦称羁绊为“鬼魂般的超距效果”,这个姓名一向撒播至今,并越来越受欢迎。了解和使用羁绊除了能有助于缔造更好的量子计算机,它在其他方面也很有用。例如,咱们能够用它来更精确地丈量引力波,以及更好地了解特别资料的性质。它在其他地方也有奇妙的表现:我一向在研讨互相磕碰的原子是怎么羁绊在一起的,以了解这怎么影响原子钟的精度。

但什么是羁绊?有什么办法能够了解这种“鬼魂”般的现象吗?我将企图通过结合物理学中的两个概念——守恒规矩量子叠加——来解说它。

守恒规矩

守恒律是物理学中一些最深入、最遍及的概念。能量守恒规矩指出,孤立体系的总能量坚持不变(虽然这些能量能够从电能转化为机械能,再转化为热能,等等)。这条规矩是蒸汽机、电动车等一切机器工作的根底。守恒规矩就像是会计报表:你能够与周围环境交流部分能量,但能量的总量有必要坚持不变。

当两个体重不同的滑冰者互相推离时,较轻的一方比较重的一方远离的速度更快,这背面的原因能够用动量守恒(动量 = 质量 速度)来解说。动量守恒规矩也解说了那句闻名的话:“每科普:解开羁绊一个效果都有一个巨细持平、方向相反的反效果。”让咱们再回到滑冰者的比方,角动量守恒能够解说,为什么一个旋转的花样滑冰运动员能够通过把手臂接近身体来加快旋转。

咱们现已通过试验证明,这些守恒规矩适用于国际中极为广泛的标准规模,从悠远星系中的黑洞一向到最细小的自旋电子。

量子叠加

幻想你在森林里进行一次愉快的徒步旅行。你来到一个岔科普:解开羁绊路口,却发现自己在挣扎着决议到底是向左走仍是向右走。左面的那条路看起来漆黑而阴沉,但听说这条路会通往美丽的景色;右边的那条路看起来阳光明媚却很峻峭。总算,你决议向右走,但心里却对科普:解开羁绊那条没有走过的路充溢巴望。但是在量子国际中,你能够一起挑选这两条路。

关于量子力学描绘的体系(也便是那些与热量和外部扰动充沛阻隔的物体),物理学规矩来得愈加风趣。就像陀螺相同,电子能够处于顺时针旋转的状况,或逆时针旋转的状况。但与陀螺不同的是,电子还能够处于“顺时针+逆时针”的旋转状况。

量子体系的状况能够相加,也能够相减。从数学上看,量子态的结合规矩能够用向量相加减的规矩来描绘。咱们用叠加来表明量子态的结合。在双缝试验、波粒二象性等等你或许听说过的古怪量子效应背面的原理,正是量子叠加。

假定你决议迫使一个处于 {顺时针旋转}+{逆时针旋转} 的叠加态的电子发生一个确认的状况。那么电子最终会随机地处于要么{顺时针旋转} 状况,要么{逆时针旋转} 状况。咱们很简单计算出一种成果相对另一种成果的概率。假如你的国际观要求国际以彻底可猜测的方法运转,那么这个进程的内涵随机性或许会让你困扰,但这便是通过试验检测的实际。

守恒规矩与量子力学

现在让咱们把这两个概念结合起来,将能量守恒规矩应用到一对量子粒子上。

幻想一对量子粒子(比方原子)最开端有100个单位的能量。你和你的朋友把这对粒子分隔,各拿一个。你发现你的原子有40个单位的能量,依据能量守恒规矩,你推导出科普:解开羁绊你朋友所持的原子一定有60个单位的能量。一旦你知道了自己的原子的能量,也就立刻知道了你朋友的原子的能量。即便你的朋友从未向你泄漏过任何信息,你也会知道这一点。即便你的朋友处于银河系的另一边,当你丈量自己的原子的科普:解开羁绊能量时,你仍是会知道这一点。一旦你意识到这仅仅相关性,而不是因果关系,就会知道这底子一点都不“鬼魂”。

但一对原子的量子态或许更风趣。在恪守能量守恒规矩的前提下,这对原子的能量能够依照许多或许的方法进行分配,它们的结合态能够处于叠加态,例如:

{你的原子:60个单位;朋友的原子:40个单位} +

{你的原子:70个单位;朋友的原子:30个单位}。

这是两个原子的羁绊态。无论是你的仍是你朋友的原子,在这个叠加态中都没有确认的能量。但是,因为能量守恒,这两个原子的性质是互相相关的:它们的能量加起来总是100个单位。

例如,假如你丈量自己的原子,发现它处于能量为70个单位的状况,那么你能够确认你朋友的原子有30个单位的能量。即便你的朋友从未向你泄漏过任何信息,你也会知道这一点。多亏了能量守恒,让你和你的朋友即便相距一个乖戾银河系的间隔,也能互相知道这一点。

底子不存在什么鬼魂。

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