诺奖得主维尔切克:如何理解纠缠?

作者: Frank Wilczek

来源: 热知

发布日期: 2022-12-01 08:00:49

本文由诺奖得主弗兰克·维尔切克撰写,详细解释了量子纠缠的概念及其与量子理论中“多世界”主张的关系。文章通过经典和量子系统的对比,阐述了纠缠的本质和其在量子力学中的重要性,并介绍了EPR和GHZ效应,以及量子理论中的互补性。

量⼦纠缠的概念以及与此相关的量⼦理论需要“多世界”的主张都充满了神秘⽽独特的魅⼒。但是这些科学思想终归是要具有实际意义的。在这⾥我想简洁明了地解释关于量⼦纠缠和多世界的概念。

量⼦纠缠通常被认为是⼀种独特的量⼦⼒学现象,但事实并⾮如此。尽管有些不合常理,但我们可以⾸先考虑纠缠的简单⾮量⼦(即经典)情况,这是很有启发性的。这使我们能够将量⼦纠缠本身的微妙之处与⼀般的量⼦理论区分开来。

纠缠发⽣在我们对两个系统的状态有部分了解的情况下。例如,我们的系统可以由两个叫“c-ons”的物体组成。我们定义c-on有两种形状,⽅形或圆形,也就是它们可能的态。然后,对于两个c-on,有四种可能的结合⽅式,分别是(⽅形、⽅形)、(⽅形,圆形)、(圆形,⽅形)和(圆形,圆形)。如果任意⼀个c-on的态⽆法提供给我们其他的c-on态的信息,我们就称这些c-on为“独⽴的”。

相对地,当⼀个c-on的态可以提供另⼀个c-on的态的信息时,我们认为这两个c-on是纠缠的。量⼦纠缠本质上都是⼀致的,即缺乏独⽴性。在量⼦理论中,态是由称为波函数的数学对象描述的。

当然蛋糕不是量⼦系统,但量⼦系统之间的纠缠是⾃然⽽然就会产⽣的,⽐如在实践中,粒⼦碰撞之后⾮纠缠(独⽴)态是⾮常罕⻅的,因为只要系统相互作⽤,就会让它们之间产⽣相关性。

量⼦纠缠中更与众不同的结果,如Einstein-Podolsky-Rosen (EPR)和Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ)效应,是通过它与量⼦理论中的“互补性”相互作⽤⽽产⽣的。为了能够更好地讨论EPR和GHZ,先让我来介绍⼀下它们的互补性。

量⼦理论的创始⼈埃尔温·薛定谔也对量⼦理论的正确性深表怀疑,他强调,量⼦系统的演化⾃然会导致⼀些状态,这些状态的可测量结果可能是截然不同的。著名的“薛定谔的猫”将量⼦的不确定性扩⼤到了有关猫死亡率的问题中。

本⽂经授权转载⾃微信公众号“热知”,原⽂链接:https://www.quantamagazine.org/entanglement-made-simple-20160428/。

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