国家自然科学一等奖的“量子纠缠”到底是个啥

Question

如题所述

Answer 1

　　说到量子世界，其实有两个最基本的原理，就是量子叠加原理，而另外一个其实是由量子叠加原理引申出来的量子纠缠。
　　首先我给大家介绍下量子叠加原理。什么是量子叠加原理？举个例子来说，《西游记》我想大家都看过吧!就算没有看过原著，电视剧三十年如一日的重播，肯定也会看过，我从小也非常希望有孙悟空的一个能力，就是它的分身术，一个分身留在这里听老师训话上课，另外一个分身就跑出去捣蛋。那么在量子的世界里，量子就是孙悟空，它也有分身术，但是跟孙悟空的分身术不一样的地方在于，在量子的世界里量子的分身术不能被人看到，一旦有人去看它，它的分身就会随机地消失，而最后只留下一个。
　　假设你在 ABC 三个地方有三个分身，如果有人不管在那个地方去看它，它有可能 AB 的分身消失，也有可能是 BC，也有可能是 AC，随机的消失一个，而只留下一个分身，这个就是跟孙悟空分身术不一样的地方。这个事情本身可以通过一个双缝实验来验证。有这么两个一模一样的狭缝，我们有一杆枪不停地发出电子，那么电子会同时穿过这两个狭缝，而在背后留下一个相应的干涉条纹。但如果我们有一个装置可以去看，这个电子是从哪个狭缝过的时候，你就会发现，每一次它只从其中一个过，而在后面留下两条杠。没有观测的时候，它是同时穿过；有观测的时候，它只从一个地方穿过，两种状态并行，这个就是量子叠加原理。
　　再举一个形象的例子，假设我就是一个量子，我下班回家有两条路，一个是鲜花市场，一个是海鲜市场，每天我下班回家，我开着自己的车，相当于我对自己进行个测量。那么，我就很清楚，我是从哪条路回家的。回到家里，我太太也很清楚因为她闻一下我就知道，如果我是从鲜花市场，那么我身上都是香的；如果我身上全是鱼腥味，那么就知道，我是从海鲜市场。但有天我非常累，我就打了个车回家，回到家以后，我太太问我说，今天你是从哪条路回来的呀？我说不好意思，刚刚路上睡着了，我也不知道从哪条路上回来的。你闻下我身上看看。她闻了一下发现好奇怪，怎么你身上一半是香的，一半是臭的，就好像我从两条路同时过来了一样，那么，这个就是量子的叠加原理。当有人对它进行测量，它就只有一种状态，如果没有人对它测量的话，它是多种状态并存。当然，在现实生活中，更大的可能，我是被那个出租车司机给坑了。这个是量子叠加原理。
　　如果把量子叠加原理合到多个量子的情况会是什么呢？那就是一个爱因斯坦称之为遥远距离诡异的相互作用的一个量子纠缠，它就像双胞胎心灵感应一样，这两颗骰子无论相距多远，掷出来的结果始终是一样的。那么用刚刚那个量子分身的概念来讲，就是说，比如说我和你纠缠在一起，每个人都有两个分身在北京和上海，如果有人对我进行了测量，那么我们知道有个分身会消失，那么你的分身会怎么样呢？我可以告诉大家的是，你的分身也会消失。比如我上海的分身消失了，只留下北京的分身，那我就知道，而且必然会发生的事情，就是你在上海的分身也会消失，只留下北京的分身，这就是量子纠缠。
　　有了量子纠缠，量子隐形传输的概念也就呼之欲出。如果我们想把北京的量子传送到上海，那怎么办呢？我现在北京和上海之间建立这样的纠缠，然后我通过对两地的粒子，做一些特殊的操作，那么在北京的量子就会消失出现在上海。
　　有了量子叠加原理和量子纠缠，那么我们到底有些什么用呢？首先一个应用就是计算机的一个飞跃，因为我们知道，我们经典的计算机中，它只有 0 和1，每个比特都是这两种状态，但在我们的量子中可以处在 0 和 1 的叠加状上，那么这样我一旦操纵的量子数目增多，它就会以指数增长的形式来提升它的运算速度，有这么个并行运算的能力。举个例子来说，我们如果分解 300 位的大数分解，用经典的计算机，它需要 15 万年，那我有个量子计算机，它只要一秒钟就可以算出来。当我们操纵 25 个量子的时候，我们的计算机能力已经达到了现有的计算机四核计算能力，而当我们能操纵 50 个量子的时候，现在世界上最快的计算机——天河二号，它的计算能力已经赶不上了。当然量子计算还比较遥远，虽然说未来它会给我们带来很多的应用，比如说天气预报、石油勘探等等等等。