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「量子糾纏」榮獲諾貝爾物理學獎,或許大家的命運都早已被決定好
2024/01/09

綜述

量子糾纏一直是物理學領域中極為神秘的一個現象,其深奧的性質和潛在的影響力吸引了無數科學家的關注。

但是,也有人把這種微觀粒子間的神秘聯系與我們個人命運之間畫上了等號,這種思維是否簡化了自然的復雜性?

什麼是量子糾纏

量子糾纏是一種超奇妙的物理現象。它讓微觀世界的粒子在互相遠離的情況下也能建立一種神秘的聯系。

這些微小的家伙可以是光子、電子或原子,它們玩的是量子力學的游戲,不按我們日常生活中那一套經典物理學的規矩來。量子力學告訴我們,這些微粒的狀態在我們觀測之前都處于一種模棱兩可的狀態。

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舉個例子,一個電子可能既向上又向下旋轉,就像是疊加了兩種狀態。但當我們使用儀器來看它時,它就會瞬間決定到底是向上還是向下旋轉。

這有點兒像我們扔硬幣,硬幣在空中翻轉時,我們猜不出是正面還是反面,直到它落地我們才能看到結果。而量子世界更神奇,這種狀態并不是我們不知道的程度,而是它同時處于兩種可能性之中。

量子糾纏的發生需要一些特殊的場景。比如說,讓兩個或多個微觀粒子互相打交道,或者通過分裂一個粒子成兩個或多個粒子。

這樣一來,它們就會分享一個神秘的狀態,也就是說, 它們的狀態是互相牽連的,無法單獨描述。

這種聯系非常強烈,即使我們把這些粒子分開,甚至放在遙遠的地方,它們依然保持著這種糾纏。 這意味著,當我們測量其中一個粒子的狀態時,我們可以立即知道另一個粒子的狀態,而無需再次測量。

比如說,我們可以通過一個特殊的晶體將一個光子分裂成兩個,這兩個光子就會發生糾纏。我們知道光子有一個叫做偏振的屬性,它表示光波的振動方向。

偏振可以是水平的、垂直的,或者其他角度。當我們使用一個偏振器來測量一個光子的偏振時, 它就會瞬間坍縮為一個確定的結果,比如水平偏振。

那麼,它的糾纏伙伴,無論在何處,也會立刻坍縮為相反的結果, 比如垂直偏振。這就好像我們和朋友各自拋擲一個硬幣,如果我們的硬幣是正面,那麼朋友的硬幣就一定是反面,反之亦然。

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這種現象被愛因斯坦稱為「鬼魅般的超距作用」,因為它似乎違反了因果關系,也就是說,沒有任何信號可以在兩個粒子之間傳遞。

而且這種傳遞的速度似乎超過了光速,這本應是不可能的。但實際上,這并沒有真正違背因果關系,因為我們不能利用這種現象來傳遞信息,也不能通過控制一個粒子的狀態來影響另一個粒子的狀態。

我們只能被動地觀察它們的關聯。 量子糾纏只是描述微觀粒子狀態之間關系的現象,而不是巨觀世界的因果關系。

量子糾纏的應用

量子糾纏不僅僅是一個基礎的物理現象,它還是一種強大的工具,為量子信息科學開啟了新的可能性和優勢。

量子信息科學探索著如何利用量子糾纏等現象來處理和傳輸信息, 這一領域有望帶來超越經典計算機的量子計算和安全無法被破解的量子通信。

量子計算采用量子比特(qubit)作為信息的基本單元,它不同于經典計算機的比特(bit),能夠同時處于0和1的疊加態。

這意味著量子計算機可以同時處理多個信息,大幅提升了計算效率和速度。 量子糾纏在量子計算中扮演著關鍵角色,讓多個量子比特形成協同,實現更為復雜的算法和邏輯運算。

量子計算的一個重要應用是量子模擬,它能夠模擬一些經典計算機難以模擬的物理系統,比如量子多體系統、量子化學反應、量子相變等。

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此外,量子計算還可以解決一些經典計算機難以解決的問題,如素數分解、搜索、優化等。量子計算的崛起為信息處理領域帶來了新的前景和可能性。

量子通信是利用量子糾纏等量子現象進行信息傳輸的方式, 其特點在于能夠確保信息的安全性和完整性,不受任何形式的干擾或竊聽。

其中一個重要應用是量子 密鑰分發,這種方法讓通信雙方可以通過量子信道共享加密密鑰,無需擔心密鑰的被竊取或篡改。

其原理在于,任何試圖監聽或干擾量子信道的行為都會破壞量子糾纏的狀態,立即被通信雙方發現。

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這項技術已經在現實中得到了應用,比如在銀行、政府和軍事等領域。

另一個重要的應用是量子隱形傳態, 通過量子糾纏的關聯,使得通信雙方能夠無需物理傳送任何粒子,將一個量子態從一個地方傳送到另一個地方。

其原理是,通信雙方各自擁有一個糾纏的粒子,當其中一方對兩個粒子進行聯合測量時,可以將要傳送的信息編碼到另一方的粒子上,而無需知道要傳送的粒子的具體狀態。

量子隱形傳態可以用于建立量子網絡,使得不同地點的量子計算機之間能夠進行信息交換和協作。這些應用展示了量子通信在保障信息安全和實現遠距離傳輸方面的潛力和重要性。

除了量子計算和量子通信, 量子糾纏還有許多其他應用。比如,量子密度編碼是一種利用量子糾纏的聯系,將兩個經典比特的信息編碼到一個量子比特上,這樣可以提高信息的壓縮率和傳輸效率。

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通過這種方式,信息可以更緊湊地傳輸和存儲,提升了信息處理的效率。

另外,量子計量學利用量子糾纏的聯系來提高測量的精度和靈敏度。它可以應用于測量微弱的物理量, 比如電場、磁場、重力等。

這種技術對于精密測量和探測方面有著很大的潛力,能夠幫助我們更準確地了解微小物理現象。

量子成像也是一個重要應用,它利用量子糾纏的關聯提高成像的分辨率和對比度。這種技術可以用來成像一些難以用經典光學成像的對象, 比如隱形物體、生物組織、甚至是量子器件等。

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通過量子成像,我們可以觀察并理解更微小和更復雜的結構。

最后,量子密碼學是一種利用量子糾纏的聯系來實現信息的加密和解密。這種密碼學方式可以確保信息傳輸的安全性和保密性,不易受到攻擊和破解。

量子密碼學提供了一種更加安全和可靠的信息傳輸方式,對于保護敏感信息至關重要。

人類的命運已定了嗎?

量子糾纏是一種引人入勝的物理現象,能讓微觀粒子建立起一種神秘聯系,即便它們相隔遙遠,它們的狀態仍會相互依賴。

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這種現象或許會讓人感覺宇宙似乎是按照一種預先安排好的方式運行著,沒有偶然和自由。然而,這種想法其實是有誤的。 量子糾纏并不意味著人類命運早已注定,或是世間萬物發展都有著既定的規律。

量子糾纏并非決定論的證據,而是決定論的一種選擇。我們可以選擇不同的解釋來理解量子糾纏,有些是決定論的,有些是非決定論的。

決定論認為宇宙中的一切都由之前的狀態和規律所決定,沒有偶然和自由。 非決定論則認為宇宙中存在多種可能性,有一定的偶然和自由。

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量子力學并不偏袒某一立場,只是提供一種數學描述,描述微觀粒子的行為。我們可根據喜好和信念, 選擇不同解釋,如哥本哈根解釋、多世界解釋、隱變量解釋等。這些解釋都能與量子力學實驗結果相吻合,但各自有優缺點,沒有完美解釋。

結語

即使我們在科學上探索「量子糾纏」等現象,也不應以此推斷出巨觀世界的命運早已決定好了。

我們的未來仍充滿著未知與自由,我們每個人都有權利去創造、去選擇,塑造自己的生活軌跡。量子糾纏是自然界的奇妙,而我們的生活則是我們自己書寫的故事,充滿了無限的可能性和選擇。

嚴禁無授權轉載,違者將面臨法律追究。

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