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走近量子糾纏,它是否是宇宙的本質

走近量子糾纏

思想實驗:是指使用想像力去進行的實驗,所做的都是在現實中無法做到(或現實未做到)的實驗。

2012年10月9日,兩位物理學家因為在量子資訊技術領域作出巨大貢獻而獲得2012年諾貝爾物理學獎,他們是法國物理學家塞爾日·阿羅什和美國物理學家戴維·瓦恩蘭。

量子光學世界充滿了神奇,由於單個粒子很難從周圍環境中隔離觀測,量子物理學中很多奇特現象無法被觀測到。

但這兩位獲獎者通過實驗,發現了能夠直接觀察單個粒子卻不對其產生破壞的方法,使科學家能夠直接對微觀過程進行量子模擬和實驗,捕捉自然界中的量子行為,並讓探索量子現象和普通生活的界線成為可能。這一方法還可以將自然界中的某些物質,如光子和原子分離出來,觀察它們的行為和互相之間的關係,這將大大縮短研製量子電腦的進程。

在長達一個世紀的時間裡,科學家們被原子頗為古怪的行為所迷惑。在自然的微觀世界裡,一些科學常識方面的定律被其內部奇怪的量子力學規律所顛覆。量子力學是描述原子、電子等微觀粒子的理論,它所揭示的微觀規律與日常生活中看到的巨集觀規律很不一樣。處於所謂「疊加態」的微觀粒子之狀態是不確定的,例如,電子可以幾乎同時位於幾個不同的地點,直到被觀察測量時才在某處出現。這種事如果發生在巨集觀世界的日常生活中將不可思議,例如你有一件物品,它會同時出現在你家的書房、餐廳、臥室、廚房……到處遊盪,這種看似魔術的現象人們當然嗤之為荒謬,但在量子力學世界裡卻是事實,這種奇特的難以置信的現象正是物理學家們孜孜不倦要弄清楚的。

為了解釋原子行為的這種怪異現象,奧地利物理學家、1933年諾貝爾物理學獎得主埃爾溫·薛定諤於1935年設計了一個關於量子理論著名的思想實驗。把一隻貓放進一個不透明的盒子裡,然後把這個盒子連接到一個包含放射性原子核和裝有有毒氣體容器的實驗裝置。設想這個放射性原子核在一個小時內有50%發生衰變的可能性。如果發生衰變,它將會發射出一個粒子,而發射出的這個粒子將會觸發這個實驗裝置,導致裝有毒氣的容器被打開,從而殺死這隻貓。按照量子力學理論,未進行觀察時,這個原子核處於已衰變和未衰變的疊加態。但是,如果在一個小時後把盒子打開,實驗者只能看到「衰變的原子核和死貓」或者「未衰變的原子核和活貓」兩種情況。

薛定諤貓實驗是一個佯謬,實際上提出了一個十分重要的問題:什麼是量子力學的觀測?觀察或測量都與人的主觀意志有關。這個思想實驗的巧妙之處在於,通過「檢測器-原子-毒藥瓶」這條因果鏈,似乎將鈾原子的「衰變-未衰變疊加態」與貓的「死-活疊加態」聯繫在一起,使量子力學的微觀不確定性變為巨集觀不確定性;微觀的混沌變為巨集觀的荒謬——貓要麼死了,要麼活著,兩者必居其一,不可能同時既死又活!難怪英國著名科學家霍金聽到薛定諤的貓佯謬時說:「我去拿槍來把貓打死!」

薛定諤編出了這個佯謬的目的是為了以此引起科學家注意,引導人們關注這樣一個物理現象:巨集觀世界是否也遵從適用於微觀尺度的量子疊加原理。「薛定諤的貓」實驗巧妙地把微觀放射源和巨集觀的貓聯繫起來,旨在最終否定巨集觀世界存在量子疊加狀態。

直到幾年前,這個問題還是個哲理問題,對於物理學家們來說,量子力學也是如此奇妙。但物理學家要解決的問題是,為何在我們現實世界裡就不是這樣的呢?例如,當你要拿你的手機時,它不可能同時既在書房,又在臥室裡,而只能是靜靜地躺在房間的某個角落。薛定諤這樣解釋,根據量子力學原理,在「薛定諤的貓」箱子打開前,箱中之貓「既死又活的」,非要有人打開箱子看一眼貓是死是活才能確定。

1996年,法國物理學家塞爾日·阿羅什將他們的實驗比作薛定諤的貓,即「盒子」裡的光子就像「薛定諤的貓」的狀態,同時在兩個相反的方向之間擺動,然後他們通過發送「偵測」原子,測定這樣的「貓態」存在多長時間才衰減,或重新回復到量子狀態。在一系列實驗中,他們已經開發出讓「貓態」維持更長時間的反饋技術,這種技術將是實現量子電腦夢想的關鍵,以所謂的量子比特來解決超越普通電腦能力之外的一些超巨大數據的計算問題。量子電腦與周圍環境分離的「量子比特」擁有神奇的計算能力,但同時必須找到一種測量量子比特的方法,以讀出量子電腦的計算結果。

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