量子糾纏淺論

周軍強

寧波職業技術學院 浙江 寧波 315000

引言

在宏觀世界中，一切東西，都遵循著可以確定的物理定力，例如將一個石子扔出去時，他總是可以根據拋出去的角度和速率及其摩擦力形成唯一的軌道到達了地球表面上，而當將物質劃分到不可分解的單位，例如光，人們就統稱了這樣的微粒為量子，而在量子級別的微觀世界中，人們發現習以為常的一些規律在其中已經失去了意義，從而形成了某些奇妙的現象，例如當愛因斯坦給出了關于光電效果的光量子說明[1]，我們就剛剛開始意識到光波也同樣具備了波與粒的雙重性質，而波粒二象性也是所有微觀粒子物理學的最基礎特性之一，另外最神奇的是兩個相關性的量子無論距離多遠，一個狀態的變化會影響另一個量子，稱為量子糾纏，目前很多高科技公司都在應用這個量子糾纏實現遠距離信息傳輸和量子計算機，也取得了很多的成果。

1 量子的波粒二象性

我們知道，當水通過狹小的縫隙時候，產生衍射現象，會以波的形式傳播，那么科學家在實驗中發現，單一的電子射出后通過足夠小的縫隙，電子也產生衍射，形成的波，這個時候我們無法確定電子的真實位置，當電子波到達對面的接收屏幕時候，又恢復變成了粒子，形成一個小點出現在屏幕上，如下圖。

圖1 量子的雙縫衍射

這里的關鍵點就在于通過衍射，一個電子成了能量的波動，它確切的位置不存在了，或者可以說成是消失了，當我們用屏幕去觀察電子時候，它才變成了一個粒子點出現在屏幕上。

奧地利著名物理家薛定諤認為，在一只箱子內有一只貓，里面還有一些放射性鐳材料以及帶有氰化物的密封容器，放射性鐳材料有50%的概率將會衰變而釋放出有毒物質毒死了這只貓，同時還有50%的概率因為放射性材料并沒有衰變而貓仍將生存下來，但在量子微觀的世界里，如果箱子處在封閉狀態，整個體系將始終處于不確定性的波態中，鐳也處在衰變與不衰減的重疊態中，即貓生死重疊，但是也不可能會出現既生又死的貓，而貓究竟是死還是活需要當箱子開啟之后，由外部觀測者觀察時，物質的粒子形態呈現時才能判斷其狀態， 這就是“薛定諤的貓”[2]。該研究實驗試圖在宏領域探討微觀領域的量子疊加原理的問題，當然這個實驗的提出也忽略了一個問題，貓也是盒子里的一個觀測者。

2 量子糾纏

在同一個事件中所形成的二種彼此聯系的量子級粒子，在我們還沒有去觀察他們的狀態時，兩種粒子的狀態都是不確定的，就好像是在轉動的硬幣的兩面都存在可能性，所以我們無法判斷他們狀態是正向的或者反向的，不過在觀測其中一個粒子狀態時，另外一個粒子即便在遠處的任何地方也會同步進行相關改變，例如一個在地球，還有一個在火星上，當一個確定的變化一面時，另一種也會按照規則要求而變為相應的另一面，所以我們可以知道如果從信號傳輸的角度看，光每秒35萬km，從地球到火星上也需要一定時間，但是它們彼此狀態的相關改變卻是真實的，也不需要任何時間延遲，所以能夠判斷這些現象中的確存在著超越空間的作用。而這種由二個及以上的原子粒子間相互作用的現象被愛因斯坦稱作“幽靈”，在物理學界稱為量子糾纏。

3 生物界的量子現象

在生物界，不僅經典物理在起作用，在生靈萬物的細胞深處，粒子有時會打破宏觀界的規則，產生很多不可思議的現象。首先如光合作用效率，植物光合作用中吸收光能通過植物細胞中的聚光大分子，我們可以想象聚光大分子不可能百分百分布在整個葉片上，那么照射到葉片上的光也應該不可能全部被吸收進行光合作用，但科學家經過測試發現，植物在葉面上的確實現了接近全部光的利用，這是怎么產生的呢，根據量子物理，光子在傳遞過程中以能量波的形式，當到達葉片時，整個葉片上光子都存在，當光子找到聚光大分子時，光子又神奇的變成粒子，和聚光大分子進行了反應，所以葉片上的光都沒被遺漏。

量子糾纏情況也在鳥類遷移中發揮著作用，有的如知更鳥，每年它會從歐洲北方遷移到南面的法國，并且如此來回，那么鳥是怎么尋找方向的，后來生物學家們發現它是使用量子糾纏電子和磁場來決定飛行軌道，從而實現了遷移，如果一種光子進入知更鳥的眼中，會形成一個所謂的糾纏電子，而每個電子中都存在著二個可能的狀態，當觀察其中一個電子狀態時候，另一個電子的狀態也被確定了，而這兩種狀態存在著關聯性，這個時候磁場對這種關聯性產生了影響，比如順著某個磁場方向，兩個電子都會呈現相同的狀態，如果偏離了這個磁場方向，兩個電子會呈現相反的狀態，知更鳥就是根據兩個電子糾纏狀態來確定飛行方向的。

我們的嗅覺系統和其他視覺聽覺感官有很大的不同，視覺直接光子接收光子，根據不同波段顯示不同的顏色，聽覺通過聲波的物理震動在耳膜上的反應來合成聲音，但嗅覺可以識別成百上千的氣味，權威的解釋認為，嗅覺是在探測化學分子，比如某種香料，當嗅覺探測到后，它們會向我們的大腦傳遞神經信號，不同的氣味會產生不同的神經沖動，不同的化學分子，具有不同的化學結構形狀，從而與我們鼻子里的不同感受器相匹配，就像不同相同型號的螺絲和螺帽，如果不匹配就不會引起相關神經傳導，就像鑰匙和鎖，相匹配才能打開門，這種嗅覺匹配傳導也稱為稱之為鎖鑰機制[3]，但后來在實驗中發現，完全不同化學分子的兩種物質，居然能產生相同的氣味，比如甲醛這種分子也能產生杏仁味，這個就沒法用鎖鑰機制來解釋了，所以還有一種理論，除了這種鎖和鑰匙的模式之外，認為同時還有另一種因素在起作用，就是氣味物質的化學鍵的震動。我們知道一個分子由不同原子通過化學鍵組合在一起，原子的位置并不是固定不變，而兩頭原子中間的化學鍵就像琴弦，當原子的位置改變，中間的鍵就會產生震動，不同原子之間配合震動會產生不同的效果，從而產生不同的嗅覺，這個并不和分子的形狀有直接關系，核心在于震動，也就是波動性，所以嗅覺的產生也接近于聽覺和視覺，同樣通過波動來實現。

這些在自然界和生物界發現的量子特性對于我們研究量子理論和量子的應用具有積極地意義。

4 量子糾纏應用

量子糾纏在很多領域被應用。首先在加密領域，信息的加密和解密，從古至今無論是在商業領域還是軍事領域都一直存在，他們是一對共生技術，隨著科技的發展，加密和解密的方法也越來越對，加密是通過一定的規律進行，但是只要掌握了這個規律，只要通過一定的方法和時間，特別是現在計算機的運算效率提高，理論上很多加密都能夠被破解。由于量子加密相對特殊，他根本無法被刺探和破譯，而竊聽者們之所以刺探不到密鑰，主要是因為當人們在測試量子狀態中的一個特性時，會使另一種特性引起了干擾。在量子密鑰體系里，所有竊聽者在偷看光子束時均會改動到它，而被發送者或接收者發覺。在原則上，這項科技能夠提供無從破解的神秘密鑰。

在通訊方面，量子糾纏也能提供應用。目前普遍采用的通信技術，主要是通過光纖或者電磁波，雖然它們傳輸速率很快，光纖的傳輸通過光信號傳導，光傳輸速率極快，但當距離一定遠的時候，信號到達接收方還是會需要時間，從而產生延遲而影響傳輸的效率[4]。但是通過量子糾纏的特性原理，當相互糾纏的兩個粒子，其中一個粒子的狀態進行變化，另外一個粒子會立即變化，和距離地點沒有任何關系，這一點正好應用在通訊領域的信號傳輸上，其中一端信號改變，通過狀態的變化，另外一端立刻接收到該信號，從而實現通訊功能。我國發射的全球首顆量子科學實驗衛星 “墨子號”，實現了1200km的量子通訊，這是領先于全世界的技術，這里就應用到了量子糾纏。另外當隨著人類探索宇宙的發展，假如人類以后拓展到幾個光年的外太空，到時候要實現通訊功能，如果用普通的光纖或者電磁波根本沒法應用，那量子通訊正好滿足這個需求。

量子力學在軍事上也有很多應用。比如提高導航定位精度。量子定位技術是近年來新興的導航定位技術。飛機、戰車、艦艇等武器平臺在量子加速器和量子陀螺儀的輔助下，可充分發揮量子導航設備精度高、重量輕的優勢。使用量子技術的導航系統，武器平臺不需要定期使用導航衛星校正其位置。2016年英國的海軍在測試潛艇量子技術導航系統的精度時候發現，其在一天24小時內的定位誤差僅1m。

目前各國都在研究量子計算機，量子計算機有著比傳統計算機先天的優勢，傳統計算機信號只有0和1兩種狀態，而量子除了0和1，還有一個疊加態。計算機最主要的是運算能力，傳統計算機處理一個極其復雜的運算可能需要一百年，超級計算機使用幾天就可以，而量子計算機幾秒就能解決問題，量子計算目前可能是下一代信息革命的關鍵技術，可通過特定算法產生超越傳統超級計算機的算力，可以在密碼破譯、天氣預報、材料設計、藥物分析、圖論等領域發揮重要作用，各國都在該技術領域投入了大量的研究。我國在量子計算機方面的研究目前處于領先地位。比如中國科學技術大學的潘建偉等人與中科院上海微系統與信息技術研究所、國家并行計算機工程技術研究中心合作的“九章號”，九章號在處理高斯玻色取樣問題上的速度比當時世界上最快的超級計算機“富岳”快100萬億倍，后來的“九章二號”在處理該問題時候比目前最先進的計算機快一億億億倍，相當于九章二號比九章快100億倍。2021年10月份，我國超導量子研究團隊的66比特可編程超導量子計算機原型“祖沖之二號”，同等計算比目前最快的傳統超算還要快一千萬倍，并且實現了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解。相信在不久將來量子計算機會在實際應用中普及。

5 量子糾纏設想

雖然量子糾纏現象已經被發現很多年，但是這個糾纏是怎么形成的，科學界有很多設想，比如空間彎曲，平行宇宙，多宇宙等，四維空間到三維的投影等理論，比如平行宇宙理論認為存在另一個宇宙和我們存在鏡像，所以當我們觀測其中一個粒子狀態時候，表現出來的狀態，另一個糾纏粒子也是他本身，其實就是鏡像的存在，所以不存在空間距離的傳輸這一說法。

以上的這些設想都是從空間有大小的角度去解釋考慮，所以量子糾纏中的和距離無關的這種信息傳遞無法完美解答。這里作者也給出一種假設，其實空間也是有條件存在的，在某種情況下，空間是不存在的，因為空間的不存在，也就沒有了距離，所以量子之間能夠實現無時間信息傳遞。我們是怎么來看待時間的，當事物在發展過程中，我們記錄了兩個不同的點，從而產生了時間的概念，所以時間在現實世界中是不存在的，他只是人類為了方便而假設的一個概念。其實空間也是，它原本是一個整體，無所謂大小距離，當我們去觀察的時候，產生了這里和那里之間的區別，從而空間就產生了。我們知道量子的波粒二象性，當我們觀察量子的時候，他才會變成一個可以觀測的點，也就是存在了空間點，所以當一個微粒子通過某種方法產生了兩個糾纏量子，當我們沒有觀察它們時，對這兩個粒子來說，空間是不存在的，它們還是一個整體，當我們觀察其中一個粒子時候，由于觀察的作用，其中一個粒子產生了狀態確定，同時由于無空間性另外一個粒子也同時變化，然后兩個粒子一起落入到空間的觀察體系中。

6 結束語

量子糾纏在自然界廣泛存在，在科技領域也會被應用越來越廣泛，希望科學界能夠最終找到量子糾纏的原理，這樣我們用量子科技為人類造福的同時，也能夠保證安全性[2]。