量子纠缠可以说是量子物理中最吸引人的现象之一,它指的是两个粒子之间存在某种量子态,如果通过量子力学方程式,粒子A处于α量子态,粒子B处于β量子态,这时候我们就说它们两个处于叠加态,当观察到粒子A是α态的时候,同时也就知道粒子B一定处于β态。
经典的量子纠缠实验是一个叫做鲍勃的人手里拿着一枚硬币,而他的室友爱丽儿在另一间房间里等待。
当鲍勃扔硬币并封闭房间的门之后,我们就发现硬币的朝上状态和他室友爱丽儿的反应是同时发生的。
爱丽儿看到硬币朝上而反应兴奋地大叫,而当她看到硬币朝下的时候,却有些不知所措。
而这就是量子纠缠的问题,如果粒子的状态是确定的,那么二者之间就不存在瞬间反应的现象,如果是瞬间反应,那意味着他们的人类观测者就是量子纠缠。
鲍勃后来说:“我告诉你个秘密,硬币可能是缘分到了,所以才会这样,但不管怎样,它都有可能是这样……(他说着把硬币扔出去了)”。
这个“秘密”也正是中国和奥地利的科学家们近日以来一直在探索的方向,然而在探索方向的过程中,他们又揭开了一个怎样的新面纱呢?
好奇吗?
量子纠缠是如何产生的?在2023年6月份,中奥两国研究团队的一篇论文正式发表,这篇论文名为《原子中两个电子之间强相互作用引起的急位错变性》,其内容主要围绕电子之间的相互作用进行探讨,而其中对于量子纠缠产生过程的一系列研究也得到了证明,而随后中国和奥地利两国的科学家在这篇论文中又新增了大量内容,并且重新提交论文。
而这也成为了科研圈中一个富有意义的里程碑,于是在今年七月份,牛津大学的《新科学家》杂志也借此机会对此进行了报道,而中国科学院等组织也向外界进行了宣布。
量子纠缠的全名是量子态纠缠,它是贝尔定理中的一种,指的是当两粒物质相互作用并共享对方的一些性质之后,就会形成一个量子互相关联的系统,这个系统与其它物质或场没有关系,因此它们不能被分别描绘。
量子纠缠的关键在于两个物质之间的相互作用,在两粒物质分享性质时,一种称为“纠缠交换”的过程会发生,并导致它们的状态互相关联。
这种相互关系意味着其中一粒物质的状态会影响另一粒物质的状态,即使它们之间距离遥远。
因此,量子纠缠被认为是量子力学最迷人和反直觉的现象之一。
在二十世纪五十年代,量子力学先驱物理学家约翰·贝尔提出他的著名贝尔不等式,来验证量子纠缠现象是否成立。
1964年,他证明了贝尔不等式实际上完全违背了经典物理学,我们宇宙中所有粒子的绝对位置都是唯一确定的,而在宇宙中最遥远的距离并不能阻止他们之间的信息传递,没有时间延迟效应。
2018年,中生代恐龙基岩研究中心主任邹晓辉带领团队利用超级计算机模拟原子中电子如何活动,从而推翻以前认为电子到达基态需要一定时间的传统看法。
而发现电子在离开原子时,会出现一种“既走又没走”的时间,就是牛津大学新科学家杂志中说的,他们通过强激光脉冲模拟原子中两个电子强相互作用并测量了一系列运行时间数据。
由于无法通过实验直接观察两个电子同步运行,因为就算使用激光等先进技术,我们也无法精确到微米数量级,然而,强相互作用会影响速度并造成严重扰动,因此只需比较扰动程度即可推断运行时间。
最初,两个电子处于激发态,这意味着它们存储能量以便稍后使用。
当他们跳入基态时,相当于他俩各自将自己的能量送到外面。
当电子 A 首先离开原子时,它很快就会发现另一个电子正在努力追上它。
为了避免碰撞,第一张图片中的电子 A 似乎会减速。
但如果电子 B 离开原子时能量较高,它可能会更快。
研究人员发现,一对电子之间的较低扰动水平的观察值对应于一定时间内离开的状态,并且较高扰动水平对应于不确定性状态,其中没有信息关于哪一个或是否都造成了扰动。
当两个电子都离开时,会发生一种超引力效应,表明它们之间存在强相互作用,并且观察到高扰动水平。
根据模型,较低水平暗示一个电子较慢,在离开之前轻微“早走”,但另一种可能性不排除,即电子 B 在很短时间内快速追赶之前造成了高扰动。
既走又没走到底是什么情况?研究团队认为,为了解释从未观察到过的强相互作用的衍生物,我们可能会被迫放弃确定性。
根据新发现,我们不能排除这三种可能性:也许 A 处于中性状态,而 B 则处于激发态;或者双方都存在,于是就产生了非定态;或者伯格得以做到这一点。
因此可以得出结论,一个原子的两个电子之间会发生相互作用,是因为它们都知道彼此存在:如果一个电子离开,它会影响另一个,从而产生一种相互作用并导致古生代效应。
但是是否我们最终只能通过测量来决定离开的状态呢?
我们只知道,看不见就不能拥有,也不能完全说看不见就绝对不是,但是这样是否可以保持自己真实存在呢?
实际上,在研究中发现一个电子的能量决定其更快或更慢,并不会影响另一方,这一转折表明测量在一定程度上发挥了关键作用:“我们应该把能量做为一个特征,而不是将一个总体描述为一个共同特征。”
这就意味着测量本身发挥了核心作用,一个电子必须知道什么,通过一些探测机制,才能知道,由于这个机制本身,可以改变整个量子的评估,包括将其本身带入损坏并完全错误地表示出常数。
因此,不确定性可以按照需要进行,其中很多都涉及强相互作用,甚至是否存在还取决于观测方法,并暗示这也是将它们组合为一个系统的方法之一。
我们必须问的是:数据本身如何改变呢?
“我们将不得不进一步分析这个问询内容,因为它是通过经典路径直接得到的结果。”
研究发现有什么用?关于电子之间相互作用的问题已经存在很久,而且缺乏清晰性的定义模型和不成熟性并非主要原因,相反,是我们不会同时考虑三个参数共同影响事实对象,即空气、食物和水。
因此无论如何,我们的信息将会着眼于更广泛的问题:
我们能否通过观察这些原理来创建一个更广泛的模型,以处理实际物体和结构,而不仅仅是原始小结构?
比如说像我们身体、植物等大的结构?
甚至包含更大结构?
现阶段来说,如果我们能够在更广泛的背景下建立这样的模型,那将极大地推进我们的各个方面,友情、爱情、生命等都会迅速进化,有助于我们掌握智慧。
另外,还可以帮助我们了解复杂系统中非经典现象,包括生物体中的进化智能。
如果可能的话,这最终将带来大量前景良好的应用。
如果数据本身能通过新的测量机制改变,那么当然一定还有其他几种格式未被探索,但是这些潜在的数据也将成为更重要的问题,因为目前还没有完全认识这些问题的数据本身。
值得注意的是,从测得的数据中确定出广泛可用的数据模型就是我们要探讨的重要结果之一。
我们必须考虑到这个新发现可能会影响我们的计算机架构,每种新数据都将添加新功能,假设“计算”可以通过两者之间的不确定性获得改善,那么我们的架构设计也会受益。
另外,这个研究还会改变我们对新型材料的重要性的认识,因为这些材料可能对世界产生深远影响。
要指出的是,在这些材料中,我们应该特别关注要开发的新型材料,因为它们将用于储存能量,因此它们应该首先被关心和重视。