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什么是量子和量子纠缠?

 hjqfreemail 2018-04-02

量子的本意是“一份一份”的意思,打个比方我们坐飞机,在飞机上会给每人一份标准的口粮,这一个package,就可以被称为一个“量子”。

在物理里面,人们最早在黑体辐射中发现光的能量是“一份一份”的,换句话说是量子化的,每个量子是hν,h是普朗克常数,是个很小很小的数,ν是光(电磁辐射)的频率。

按照这个概念,物质都是量子化的,比如电的量子是“电子”,普通物质的量子是“原子、分子”等等。进一步,物理学家发现在原子中,电子的能量只能取分立的确定的值,我们说电子的能量也是量子化的,所谓量子力学就是物理学家在研究原子中电子的运动的过程中创建的。

什么是量子和量子纠缠?

普朗克为了解释黑体辐射,引入了E=hν。

在大多数情况下,量子是作为一个前缀使用的。比如:量子力学,量子纠缠,量子材料,量子计算,量子通讯等。字面的意思就是说这些概念都和量子力学有关。

量子力学是在研究原子物理的过程中创建的,后来又被物理学家应用于场论和粒子物理,固体物理,量子化学等非常不同的领域,并全部都取得了非凡的成功,解释了从希格斯玻色子,到超导现象,到化学反应速率等不同层次,非常广泛的物理现象。现在人们已经普遍认为量子力学是全部自然科学的基础,而且是久经考验,非常牢靠的基础。

在量子力学中,粒子的运动状态用波函数表示,比如一个电子的运动可以表示为|+》或|-》,分别表示这一个电子的自旋是向上的或者是向下的状态。

那么两个电子呢?

什么是量子和量子纠缠?

可能是这样的:|++》,|+-》,|-+》和|--》,分别表示第一个电子自旋向上,第二个电子自旋也向上;第一个电子自旋向上,第二个电子自旋向下等等。

根据量子力学,波函数的叠加也是波函数,比如对一个电子而言,a|+》+ b|-》也是一个波函数。

我们现在把两个电子的波函数也叠加起来,可以构造出这样的波函数:

什么是量子和量子纠缠?

这样的态就是一个量子纠缠态,分母的根2是归一因子,可以先不去管它,观察这个波函数的分子部分,我们发现我们没法说第一个电子的自旋到底是向上(+)还是向下(-)的了,我们只知道有两个电子,其中一个自旋向上,而另一个自旋向下。

这就是量子纠缠的一个例子。

我们还可以把这样两个纠缠起来的电子给分开,让它们相互远离,假设我们对其中一个电子做测量,假如测量结果是自旋向上(+),由于测量的关系,这里发生了量子坍缩,我们可以立刻推断位于远方的另一个电子的状态一定是自旋向下(-)。

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