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(三材料)关于“量子技术”“量子理论”

 阅读美丽星空 2023-05-11 发布于山东
阅读下面的文字,完成下面小题。
材料一:
以下是“薛定谔的猫”的实验描述:把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子连接到一个装置,其中包含一个原子核和毒气设施。设想这个原子核有50%的可能性发生衰变。衰变时发射出一个粒子,这个粒子将会触发毒气设施,从而杀死这只猫。根据量子力学的原理,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,因此,那只可怜的猫就应该相应地处于“死”和“活”的叠加态。非死非活,半死不活,状态不确定,直到有人打开盒子观测它。
 

薛定谔假想“薛定谔的猫”实验
实验中的猫,可类比于微观世界的电子(或原子)。在量子理论中,电子可以不处于一个固定的状态(上或下),而是同时处于两种状态的叠加(上和下)。如果把叠加态的概念用于猫的话,那就是说,处于叠加态的猫是半死不活的。
量子理论认为:如果没有揭开盖子进行观察,薛定谔的猫的状态是“死”与“活”的叠加。此猫将永远处于同时是死又是活的叠加态,这与我们的日常经验严重相违。一只猫,要么死,要么活,怎么可能不死不活、半死半活呢?别小看这个听起来似乎荒谬的物理思想实验,它不仅在物理学方面极具意义,在哲学方面也引发了很多思考。
薛定谔的本意,是要用“薛定谔的猫"这个实验的荒谬结果来嘲笑哥本哈根学派,嘲笑其对量子力学和薛定谔方程引进的“波函数”概念的概率解释,但实际上,这个假想实验使薛定谔站到了自己奠基的理论的对立面上,难怪有物理学家调侃:“薛定谔不懂薛定谔方程!”
(摘编自《著名的薛定谔的猫》)
材料二:
爱因斯坦在当时一直是量子力学的反对者,他把这种联系称作“鬼魅的超距作用”。在他看来,要是量子力学理论允许这种现象存在,那可真是太离谱了,要么需要修正现有的理论,要么量子力学就是错的。(用物理的语言来说,量子力学的理论“不完备”)
为了反驳,他跟另外两个物理学家鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森写了篇论文,提出了一个原理。这个原理假设,任何空间上相互影响的速度都不应该超过光速,而量子纠缠这种超距作用违背了这一原理,说明量子力学是不完备的。这就是大名鼎鼎的EPR佯谬。
29年后,一位叫作贝尔的物理学家横空出世。他提出了一个不等式,如果能证明这个不等式在量子世界中成立,那么爱因斯坦就是对的,量子力学是不完备的;如果不成立,那么量子力学就取得了胜利。这个不等式后来被人们称作贝尔不等式。
轮到诺贝尔奖得主们登场了。
首先登场的是约翰·克劳泽,他建造了一个精巧的仪器﹐能够同时发出两个相互纠缠的光子,最后通过实验得出了一个明显违背贝尔不等式的结果。
然而,克劳泽的这个实验却被发现存在一个特殊的实验漏洞,并不具有说服力。还好,当时还是博士生的阿兰·阿斯佩在克劳泽的基础上改进了实验装置,修复漏洞后,发现实验结果并没有改变:贝尔不等式在量子世界不成立!
在此之后,无数物理学家为完善这一实验结果继续努力,安东·塞林格就是其中的重要一员,他带领的团队最终弥补了随机性等漏洞,给出了量子力学违背贝尔不等式的决定性证明。
塞林格的贡献不止于用实验验证了贝尔不等式,他还发现纠缠的量子态具有存储、传输和处理信息的潜力,将量子纠缠从理论推向了应用。
(摘编自《这篇诺奖物理学奖解读,小学五年级也能看懂》)
材料三:
量子技术的一个重要目标是实现长距离的量子纠缠,一个技术途径是用光纤,但是光有衰减,所以需要中继。借助卫星,光衰减很小。中国的潘建伟团队用2016年发射的墨子号卫星实现了这个方案的设想。他们实现了1203公里距离的量子纠缠,而且观察到了贝尔不等式的违反,后来,又与塞林格组合作,将纠缠光子对分配到中国与奥地利两地。
另一个途径是所谓的量子中继器,基于纠缠交换,通过多个节点,实现长程纠缠。除了有效的纠缠交换,还需要好的量子存储,因为在一方的多次纠缠交换过程中,另一方必须保持量子态不变。这些技术结合起来,可以促使全球量子网络的建立。
1991年,Artur Ekert提出一种基于量子纠缠态的量子密钥分配方案的设想。通过检验贝尔不等式是否违反,可以发现通道是否安全可靠。2006年,塞林格组以144公里的距离,实现了这个方案的设想。2022年,3个组用没有漏洞的贝尔测试,实现了这个方案的设想。
多个粒子的量子纠缠则是实现量子计算的基础,而且也是理解多体量子态的重要概念。
量子纠缠成为有力工具,为量子技术新纪元打下基础,是所谓的第二次量子革命的基础。作为实验工作,这次诺贝尔奖获奖工作为这些发展打下了基础,为第二次量子革命奠基。
(摘编自施郁《为第二次量子革命奠基的量子纠缠实验》)
4. 下列有关“薛定谔的猫”实验的概述,不正确的一项是( )
A. 在打开盒子进行观测前,封闭的盒子里的猫处于非死非活、又死又活的不确定状态。
B. 薛定谔的猫“死”“活”叠加的状态,源于原子核处于已衰变和未衰变的叠加态。
C. 薛定谔用数据验证实验设想,最终得出看似荒谬的结论,与我们的日常经验严重相违。
D. 薛定谔的本意是嘲笑哥本哈根学派,结果让自己站到了自己奠基的理论的对立面上。
5. 下列对材料相关内容的理解和分析,不正确的一项是( )
A. 爱因斯坦反对量子力学,他认为量子纠缠超距作用违背了任何空间上相互影响的速度都不应该超过光速的原理。
B. 克劳泽和阿斯佩两人从不同角度证明了贝尔不等式的违反﹐塞林格则给出了量子力学违背贝尔不等式的决定性证明。
C. 潘建伟团队利用墨子号卫星实现了1203公里距离的量子纠缠,而且观察到了量子世界中贝尔不等式的违反现象。
D. 2006年,塞林格组以144公里的距离,实现了Artur Ekert提出的一种基于量子纠缠态的量子密钥分配方案的设想。

6. 量子理论及其技术的发展对我们在科技研发上有哪些启示?请根据上述材料简要说明。




4. C C.“用数据验证实验设想”不合文意,“薛定谔的猫”是一个思想实验,即假想实验,并没有进行数据验证。故选C。
5. B B.“从不同角度证明”分析不当,原文“当时还是博士生的阿兰·阿斯佩在克劳泽的基础上改进了实验装置,修复漏洞后,发现实验结果并没有改变:贝尔不等式在量子世界不成立!”,可见阿斯佩在克劳泽实验基础上弥补了漏洞,得出与克劳泽一致的结论,即贝尔不等式在量子世界不成立,因此“不同角度”错误。故选B。
6. ①重大科学理论的发展过程是曲折的,需要不同国家科学家的合作,需要一代又一代人的接力。
②反对的意见十分重要,可以推动重大科学理论的产生和发展。
③重大科学理论的突破,一定会带来新技术的革命。

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