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那什么是量子纠缠态呢?
如果说薛定谔的猫指的是某物处于不同状态的叠加,那么两个或两个以上的物体均处于不同状态的叠加并且他们之间互相有一定的关联,这种状态则被称之为量子纠缠态。
处于纠缠态的一对不断旋转的电子,在未被测量前每隔电子都有50%的可能性自旋朝上,50%的可能性自旋朝下,即自身处于两种状态的叠加态。在同一时刻下,如若检测到其中一个电子自旋方向朝上,相对应的,另一个电子一定自旋方向朝下,而整个过程与电子相距的距离无关。举一个简单的宏观世界中的例子,有一副手套,其中一只被寄往美国,另一只被寄往新加坡。寄往美国和新加坡手套在运输过程中都看不到究竟是左手的手套还是右手的。就寄望美国的手套而言,自身处于50%的可能性是左手手套和50%的可能性是右手手套的叠加态。一旦当手套到达新加坡,例如收货者打开快递包裹,观测到这是一只左手手套,那寄往美国的手套就一定是右手手套,这个状态就会相应的被确定下来。而且这个确定几乎是瞬时的,哪怕另一只手套是寄往火星或者更远的地方,这种状态都是在得知这种手套是左手手套的瞬间能够确定下来的。
也正是这一点违背了人们之前的认知。一个是对光速的认知,爱因斯坦的著作中有一个基本理论:光的速度是最快的。任何东西甚至引力都无法运动得比光快。这是一种极限状态。第二个是违背了定域性,即远距离分隔的两种事物,若没有连接两者的东西,则不能够互相影响。爱因斯坦称之为如幽灵一般的远距作用,
与此同时,爱因斯坦还被量子理论给激怒了。量子理论认为只有通过测量才会得知微粒所处某一位置,正是这个测量行为使得例子的位置从可能性变成具体实际数值。而爱因斯坦无法接受这种随机性,他认为所有观察到的现象背后应该存在一个严格的因果过程。并写下了现在的至理名言“上帝一定不是在掷骰子”。
因此,"隐变量理论"应运而生。1927年,德布罗意在在布鲁塞尔的第五届索尔维会上讲述了他的"导波"理论。德布罗意不相信玻尔的互补原理,亦即电子同时又是粒子又是波的解释。德布罗意假象,电子始终是一个实物粒子,但它受到伴随着它的波的影响。德布罗意认为量子效应表面上的随机性完全是由一些不可知的变量所造成的。假如把那些额外的变量考虑进去,整个系统是确定和可预测的,符合严格因果关系的。
在理论物理学中,贝尔不等式是一个有关是否存在完备局域隐变量理论的不等式。现有实验的做法是把制备好的两个纠缠粒子,分别发送到相距很远的两个点,通过观察两个点的测量结果是否符合贝尔不等式来验证量子力学是否是定域性理论。2016年8月16日中国成功将世界首颗量子实验卫星“墨子号”送入轨道。实验中,两个光子之间的距离足够大,高精度的实验技术保证两地的独立测量时间间隔足够小。实验结果显示,以4倍标准偏差违背了贝尔不等式,也就是说,以超过99.9%的置信度在千公里距离上验证了量子力学是非定域性的理论。
量子纠缠涉及实在性、定域性、隐变量以及测量理论等量子力学的基本问题,并在量子计算和量子通信的研究中起着重要的作用。