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詭異的量子疊加和量子糾纏,大自然并不禁止遠超光速的瞬間移動
2023/09/19

量子是物質的最基本構成單元,或者說是能量的最基本攜帶者。所有的微觀粒子,包括分子,原子,電子和光子都是量子的一種表現形態。舉個簡單的例子,我們每天都要喝水,把一杯水分成一半,然后四分之一,一直細分下去,就變成一個個水分子了,而水分子本身就是量子的范疇。

構成世界的所有物質都是由很小的微粒子組成的,所以從某種程度上講,人類就是一個龐大量子的集合體,整個世界也是由量子組成的。因為已經是最小的單位了,所以量子不能再被分割。

小小的量子有一個非常奇怪的特性,那就是量子疊加。在我們熟悉的經典世界里,一切都是確定性的,比如說一只貓,它要麼是死的,要麼是活的。再比如說,你在一棟三層樓里,在某一個具體的時間點,你只可能在其中的一個地點。

但在量子世界卻完全不同,只要沒有人來干擾(這一說法叫測量或者觀察),你的狀態就是不確定的。一只貓既可以是死的,也可以是活的,還可以處在死和活的疊加狀態上(參考薛定諤的貓),而你也可以同時在三層樓的任何地點。因為這些不確定性,所以量子不能被準確復制。

此外,量子還有一個讓人匪夷所思的特性,量子糾纏。微觀世界里,兩個粒子之間可以存在糾纏關系,當對其中一個粒子進行操作或者測量時,遠處另一個粒子的狀態會瞬間做出相應的改變,哪怕距離很遠也是這樣。

比如說,甲乙二人在北京和上海同時擲骰子,正常情況下,兩個人不可能每次擲骰子的結果都一樣,但因為有了糾纏關系,這兩個骰子就仿佛有了心電感應一樣,每次擲骰子的結果都完全一樣。愛因斯坦稱這種現象為「幽靈般的超距作用」。

量子為什麼會這樣,至今還是個謎。不過不知道為什麼這并不阻礙我們可以利用它的特性來為我們服務。

比如說很多人都有感觸的脆弱的信息安全,在傳統的信息通訊中,只要偷取一小部分的信息,就能實現竊聽,而且不被發現。打個比方,傳統通訊就好比一杯水是甜的,另一杯水是咸的,你只要能搞出一滴水來嘗嘗,就可以知道水是甜的或咸的,就可以完全知道信息了,而不必搞到整杯水。

而在量子世界里,這一切可以被徹底顛覆。比如說甲乙雙方在通訊時會發送無數把秘密鑰匙以接受信息,這些鑰匙全被加載到了量子身上,而因為量子不可分割,不可復制,所以竊聽者無法從量子身上偷出一小部分,要偷就必須把整個鑰匙偷走,或者是擾動量子的狀態,而這樣一來,使用者就能馬上發現,將鑰匙作廢,重新發送一把新的來加密信息。


通過量子通信,人們可以從根本上解決國防,金融,政務和商業等領域的信息安全問題,也正因為如此,量子力學也被稱為是繼微電子信息之后,最可能引發軍事經濟和社會領域又一次重大革命的關鍵技術!

而量子技術應用在計算機上,可以給計算能力帶來質的飛躍。舉個例子,目前全球最快的計算機來做一個10的24次方的參數組成的線性方程組的話,大概要計算100年以上。但是用一台萬億次的量子計算機,只要0.01秒就可以完成!

而量子隱形傳態估計很多人更感興趣,因為它和穿越有關。在很多科幻電影中,我們能看到一種神奇的機器,人走進去會瞬間消失,之后被瞬間送到另一個遙遠的地方。

在詭異的量子世界里,這種傳送有可能真的實現嗎?

在原理上講,至少目前的量子力學沒有禁止我們這麼做。我們可以這樣理解,把一個人還原成一團原始的物質,然后在一個遙遠的地方,把那個人的信息傳過去之后,在量子糾纏的幫助下,把他重構出來,而這個過程他所有的記憶和想法都完全一樣的!

盡管在量子力學的背后,還有很多很多人不能理解的地方,但不能否認的是,量子科技已經深深地深入到我們生活中,終有一天,物理學家們會揭開量子力學神秘的面紗!

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