今年量子纠缠真的获得诺贝尔奖了!这种理论值得获奖吗?

2022年10月15日23:42:25 科学 1403

今年量子纠缠真的获得诺贝尔奖了!这种理论值得获奖吗?

量子纠缠是2022年诺贝尔物理学奖的核心,它是因为爱因斯坦认为不可能进行的测量而获得的,而我们从这些实验中获得的理解对于今天的量子计算来说至关重要,所以这项工作的重要性是什么?他们证明了什么?这种理论是否值得获奖?

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首先,让我们讨论一下量子力学的出现,在量子力学出现之前,我们认为世界是确定性的,也就是说,如果我们事先知道关于系统的足够信息,那么原则上我们可以在未来决定关于系统的一切,不幸的是,对于决定论者来说,我们最终遇到了量子力学,而量子力学在决定论方面背道而驰。

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就其本质而言,概率论在当时对包括爱因斯坦在内的许多科学家来说并不适用,证明量子力学具有这种性质是2022年量子力学早期诺贝尔奖的重要组成部分。在此之前,科学家们发现并提出了许多理论,但有一种想法认为,量子力学的力学框架只是现实的摹本,尽管做出了非常好的预测,但仍然有一个更基本的理论来解释一切,因此当前的框架可以很好地预测荒谬的结果,因此爱因斯坦坚信量子力学为了证明这一点,力学确实是不完整的。

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1935年,爱因斯坦和另外两位作者发表了一篇论文,题目是《物理现实的量子力学描述是否可以被认为是完整的》。他们概述了一个思想实验,这被称为爱因斯坦-波多斯基-罗森悖论或简称epr悖论,思想实验必须与量子有关,而纠缠——是两个量子系统之间的一种关联状态,假设你有两个电子自旋,可以是自旋向上或自旋向下,这两个电子的纠缠会产生一种有趣的状态,如果其中一个电子被测量为自旋向上,那么另一个一定处于自旋向下状态,这是量子物体各自性质的结果。


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电子可以被描述为波函数,即当你测量波函数时,每个粒子的波函数是不同的,当两个粒子纠缠在一起时,通过测量,我们会破坏波函数,如果你测量其中一个电子,波这两个粒子的函数会崩溃,这是思想实验的关键,如果你把两个纠缠的粒子分开,然后把它们分开很远,我们可以说它们在这种状态下被分开几光秒,如果你可以测量其中一个电子态,比如说在自旋上升时,另一个电子会立即变成自旋下降。爱因斯坦将这种波函数坍缩称为“幽灵作用距离”,并指出,一定有一些隐藏的变量可以预先知道它们的状态,因此没有信息传播速度比光速快。

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爱因斯坦认为,在粒子形成之前分开后,他们决定了哪一个会变成自旋向上,哪一个将变成自旋向下,多年来,人类没有办法区分爱因斯坦的隐变量理论和标准量子力学纠缠之间的区别,直到1964年,约翰·贝尔才提出,确实有一种方法可以测试隐变量是否为真,这个测试将被称为贝尔不等式,这种测试是通过测量一个量子态,即我们选择如何测量它的方法,这一切都取决于你如何测量它们。

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约翰·贝尔说,在这个场景中,你测量一个电子,看看它是上旋还是下旋,然后然后在坐标轴的Z方向和X方向之间的一个角度测量第二个电子,最后会发现隐藏变量和量子力学之间的结果存在差异。

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今年有三个人获得了2022年诺贝尔物理学奖,约翰·克劳瑟,阿兰·阿斯佩克和安东·泽林格,他们被授予了纠缠光子实验,证明了对贝尔不等式的违反,以及进行贝尔提出的实验的先驱测试。事实上量子信息科学实际上相当困难,需要非常快速地进行非常精确的测量,而当时量子计算并不像现在一样流行,事实上在当时它就和不存在一样,所以没有人真正有兴趣证明贝尔理论毕竟很难,也没有回报。

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但尽管如此约翰·克劳泽在1972年进行了这项实验,结果表明量子力学确实有效,而且不存在隐藏变量。然后在1982年,艾伦方面进行了一个更为严格的贝尔测试,它弥补了一些人认为允许隐藏变量仍然是正确的,这两个主要实验获得了诺贝尔奖,然后在20世纪90年代,安东·泽林格对纠缠态进行了测量,以证明所谓的量子隐形传态。基本上,如果你取两个纠缠电子,一个与第三个电子相互作用,那么纠缠态就可以被转移。这个概念对任何形式的量子来说都是至关重要的通信,正因为如此,对于今天进行的许多量子通信研究来说,都是至关重要的。

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安东·泽林格在实验室和最近数百公里的距离内演示了量子隐形传态,所有这三位科学家都进行了开创性的研究,为第二次量子革命铺平了道路,所以他们都应该获得诺贝尔奖。

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