遼寧
在大眾認(rèn)知里，量子力學(xué)似乎是一個晦澀難懂、與日常生活相距甚遠的高深理論。
但事實上，它早已如細(xì)密的絲線，悄然編織進我們生活的每一處角落，成為現(xiàn)代科技發(fā)展的隱秘基石。
當(dāng)你清晨被手機鬧鐘喚醒，開啟新一天的生活，手中的智能手機便是量子力學(xué)的杰出 “作品”。其內(nèi)部的芯片，作為手機運行的核心部件，正是基于量子力學(xué)對電子在固體晶格中行為的深入理解而設(shè)計和制造的。
這些微小的芯片中，電子的能級躍遷、量子隧穿等量子現(xiàn)象，決定了芯片的性能與運行效率，使得手機能夠快速處理各類信息，實現(xiàn)諸如高速運算、高清顯示、流暢通信等功能。
在量子力學(xué)的微觀世界中，微觀粒子的行為與我們?nèi)粘Ｉ钪兴熘暮暧^物體有著天壤之別。為了描述微觀粒子的狀態(tài)，科學(xué)家們引入了波函數(shù)的概念。波函數(shù)并非是對微觀粒子位置、速度等物理量的直接描述，而是一種復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)，它包含了關(guān)于微觀粒子的所有信息。
以電子為例，在原子中，電子并非像行星繞太陽那樣沿著固定的軌道運動，而是以一種模糊的概率云形式分布在原子核周圍。要準(zhǔn)確描述電子的位置，我們不能像在宏觀世界中那樣，用簡單的三個坐標(biāo)（長寬高）來確定，而是需要無窮多個數(shù)字。
這是因為電子的位置具有不確定性，它可能出現(xiàn)在原子核周圍的任何一個位置，只是在不同位置出現(xiàn)的概率不同。這些概率分布信息就包含在波函數(shù)之中，波函數(shù)的模的平方，即波函數(shù)絕對值的平方，代表了在某一時刻電子出現(xiàn)在特定位置的概率密度 。
這種用波函數(shù)和無窮多個數(shù)字來描述微觀粒子位置的方式，與宏觀世界中物體位置的確定性形成了鮮明的對比。在宏觀世界里，一個物體在某一時刻必然處于一個確定的位置，我們可以通過測量準(zhǔn)確得知其坐標(biāo)。而在量子世界中，微觀粒子在被觀測之前，其位置是不確定的，只能用概率來描述。這種不確定性并非是由于我們測量技術(shù)的不足，而是微觀粒子的固有屬性。
1927 年，德國物理學(xué)家沃納?海森堡提出了著名的不確定性原理，這一原理進一步深化了我們對微觀粒子不確定性的理解。該原理指出，我們無法同時精確地測量一個微觀粒子的位置和動量（動量等于質(zhì)量乘以速度）。
當(dāng)我們對微觀粒子的位置測量得越精確時，其動量的不確定性就越大；反之，當(dāng)我們對其動量測量得越精確時，位置的不確定性就越大。這種不確定性可以用一個精確的數(shù)學(xué)不等式來表示：ΔxΔp≥h/4π ，其中 Δx 代表位置的不確定性，Δp 代表動量的不確定性，h 是普朗克常數(shù)，約為 6.62607015×10^(-34) J?s，它是一個極小的常數(shù)，但在量子世界中卻起著關(guān)鍵作用。
從物理本質(zhì)上來說，不確定性原理源于微觀粒子的波粒二象性。當(dāng)我們試圖測量微觀粒子的位置時，需要使用某種探測手段，例如光子。光子與微觀粒子發(fā)生相互作用，才能讓我們 “看到” 微觀粒子的位置。然而，這種相互作用不可避免地會對微觀粒子的動量產(chǎn)生擾動。
如果我們使用波長較短的光子來提高位置測量的精度，由于光子的能量與波長成反比，短波長的光子能量較大，與微觀粒子碰撞時會給微觀粒子帶來較大的動量改變，從而導(dǎo)致其動量的不確定性增大。反之，如果我們想要精確測量微觀粒子的動量，就需要使用能量較低、波長較長的光子，這樣對微觀粒子動量的擾動較小，但由于波長較長，光子與微觀粒子相互作用時無法精確確定微觀粒子的位置，導(dǎo)致位置的不確定性增大。
在宏觀世界中，我們可以輕松地同時確定一個物體的位置和速度。
例如，一輛行駛在公路上的汽車，我們可以通過測速儀和定位系統(tǒng)準(zhǔn)確地得知它在某一時刻的速度和位置。這是因為宏觀物體的質(zhì)量相對較大，普朗克常數(shù)在宏觀尺度下可以忽略不計，不確定性原理對宏觀物體的影響極其微小，幾乎可以忽略不計。
而在微觀世界中，微觀粒子的質(zhì)量極小，普朗克常數(shù)的作用就變得顯著起來，不確定性原理成為了微觀粒子行為的基本準(zhǔn)則，深刻地揭示了微觀世界與宏觀世界的本質(zhì)區(qū)別。
1935 年，奧地利物理學(xué)家埃爾溫?薛定諤為了探討量子力學(xué)中的疊加態(tài)和觀測問題，提出了一個著名的思想實驗 —— 薛定諤的貓 。
在這個實驗中，一只貓被關(guān)在一個密封的箱子里，箱子里還放置了一瓶有毒氣體和一個由放射性物質(zhì)控制的機關(guān)。放射性物質(zhì)有一定的概率發(fā)生衰變，當(dāng)它發(fā)生衰變時，會觸發(fā)機關(guān)打碎裝有有毒氣體的瓶子，從而毒死貓；如果放射性物質(zhì)不發(fā)生衰變，貓就會存活。
根據(jù)量子力學(xué)的疊加原理，在沒有對箱子內(nèi)部進行觀測之前，放射性物質(zhì)處于衰變和不衰變的疊加態(tài)。由于貓的生死與放射性物質(zhì)的狀態(tài)緊密相連，所以貓也處于一種既死又活的疊加態(tài)。這意味著，在微觀世界的量子力學(xué)規(guī)則下，貓不再像我們?nèi)粘Ｉ钪兴J(rèn)知的那樣，只有 “活著” 或者 “死亡” 這兩種確定的狀態(tài)，而是同時處于這兩種狀態(tài)之中。只有當(dāng)我們打開箱子進行觀測的瞬間，波函數(shù)發(fā)生坍縮，貓的狀態(tài)才會瞬間確定為 “活著” 或者 “死亡” 其中的一種 。
這一思想實驗與我們的宏觀世界常識產(chǎn)生了強烈的沖突。在現(xiàn)實生活中，我們所觀察到的一切事物都具有明確且確定的狀態(tài)，一只貓要么是活著的，要么是已經(jīng)死亡，絕不可能同時處于兩種狀態(tài)。薛定諤通過這個看似荒謬的實驗，尖銳地質(zhì)疑了哥本哈根學(xué)派對量子力學(xué)的解釋，引發(fā)了科學(xué)界對于量子力學(xué)基本原理和微觀世界本質(zhì)的深入思考與激烈爭論。
量子糾纏
量子糾纏是量子力學(xué)中一種極為奇特且神秘的現(xiàn)象，愛因斯坦曾將其稱為 “鬼魅般的超距作用” 。
當(dāng)兩個或多個粒子進入一種特殊的量子態(tài) —— 糾纏態(tài)時，它們之間便會建立起一種超越時空限制的緊密關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)表現(xiàn)為，無論這些粒子在空間上相隔多遠，哪怕是位于宇宙的兩端，對其中一個粒子的狀態(tài)進行測量或操作，都會瞬間導(dǎo)致與之糾纏的其他粒子的狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)改變，仿佛它們之間存在著一種無形的、超越光速的 “心靈感應(yīng)” 。
以光子為例，假設(shè)我們制備出一對處于糾纏態(tài)的光子 A 和光子 B。當(dāng)我們在地球上對光子 A 的偏振方向進行測量時，無論此時光子 B 是在月球上，還是在數(shù)光年之外的遙遠星系，它都會在同一瞬間 “感知” 到光子 A 的狀態(tài)變化，并相應(yīng)地改變自己的偏振方向，以保持與光子 A 之間的糾纏關(guān)聯(lián) 。
這種超距作用的速度遠遠超越了我們傳統(tǒng)認(rèn)知中的光速極限，與經(jīng)典物理學(xué)中關(guān)于信息傳遞和相互作用的觀念產(chǎn)生了巨大的沖突。在經(jīng)典物理學(xué)中，任何信號或相互作用的傳播都需要時間，且速度不能超過光速，而量子糾纏現(xiàn)象卻似乎打破了這一基本規(guī)則，使得粒子之間的相互影響能夠瞬間跨越浩瀚的空間距離。
從理論上來說，量子糾纏的這種特性源于量子力學(xué)的非局域性。與經(jīng)典物理學(xué)中物體的狀態(tài)和屬性具有明確的局域性不同，在量子世界里，處于糾纏態(tài)的粒子組成了一個不可分割的整體，它們的量子態(tài)是相互關(guān)聯(lián)、不可分離的，無法用傳統(tǒng)的局域?qū)嵲谡搧斫忉尅＿@種非局域性使得量子糾纏成為了量子力學(xué)中最具挑戰(zhàn)性和神秘色彩的現(xiàn)象之一，也引發(fā)了科學(xué)家們對其背后深層次物理機制的廣泛研究和激烈爭論。
量子糾纏的奇特性質(zhì)為諸多前沿科技領(lǐng)域帶來了前所未有的機遇，尤其在量子通信和量子計算等方面展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力 。
在量子通信領(lǐng)域，量子糾纏被廣泛應(yīng)用于量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)，為信息安全提供了一種近乎絕對可靠的保障。傳統(tǒng)的加密通信方式依賴于復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法來加密和解密信息，但隨著計算技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是量子計算技術(shù)的崛起，這些傳統(tǒng)加密算法面臨著被破解的風(fēng)險。而量子密鑰分發(fā)利用量子糾纏態(tài)的不可克隆性和測量塌縮特性，實現(xiàn)了理論上絕對安全的密鑰傳輸 。
在量子密鑰分發(fā)過程中，通信雙方通過量子信道傳輸處于糾纏態(tài)的粒子（如光子），這些粒子攜帶的量子信息一旦被竊聽，根據(jù)量子力學(xué)的基本原理，量子態(tài)就會發(fā)生改變，從而被通信雙方立即察覺。這意味著，只有合法的通信雙方才能獲取到正確的密鑰，任何第三方試圖竊取密鑰的行為都會被發(fā)現(xiàn)，極大地提高了通信的安全性 。
例如，中國的 “墨子號” 量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，在國際上率先實現(xiàn)了星地量子通信，首次實現(xiàn)了洲際量子通信，充分驗證了基于衛(wèi)星平臺實現(xiàn)全球化量子通信的可行性，展示了量子糾纏在實際通信應(yīng)用中的巨大優(yōu)勢 。
然而，量子糾纏在實際應(yīng)用中也面臨著諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn) 。
從技術(shù)層面來看，實現(xiàn)和維持穩(wěn)定的量子糾纏態(tài)是一項極其困難的任務(wù)。量子系統(tǒng)非常脆弱，極易受到外界環(huán)境的干擾，如溫度、電磁場、噪聲等因素都可能導(dǎo)致量子糾纏態(tài)的退相干，使得粒子之間的糾纏關(guān)聯(lián)消失 。為了克服這一問題，科學(xué)家們需要研發(fā)出高度精確和穩(wěn)定的量子操控技術(shù)，以及能夠有效隔離外界干擾的量子存儲和傳輸設(shè)備 。
例如，在量子計算中，需要將多個量子比特糾纏在一起形成復(fù)雜的量子邏輯門，以實現(xiàn)強大的計算能力，但目前要制備和控制大量高質(zhì)量的糾纏量子比特仍然是一個巨大的技術(shù)難題，限制了量子計算機的規(guī)模和性能提升 。
從理論層面來講，盡管量子糾纏現(xiàn)象已經(jīng)在眾多實驗中得到了證實，但我們對其背后的物理本質(zhì)仍然缺乏深入的理解 。量子糾纏與愛因斯坦的相對論之間存在著一定的矛盾，量子糾纏的超距作用似乎違反了相對論中關(guān)于信息傳遞速度不能超過光速的限制 。如何協(xié)調(diào)這兩個偉大的理論，解決它們之間的沖突，成為了現(xiàn)代物理學(xué)中亟待解決的重要問題之一 。
此外，量子糾纏的測量問題也引發(fā)了諸多爭議，測量過程如何導(dǎo)致量子態(tài)的塌縮，以及塌縮的具體機制等問題，至今仍然沒有得到令人滿意的答案 。這些理論上的困惑不僅阻礙了我們對量子糾纏現(xiàn)象的進一步認(rèn)識，也在一定程度上限制了量子糾纏在實際應(yīng)用中的發(fā)展和推廣 。
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