量子纠缠被证实意味着什么?

量子纠缠被证实意味着什么?

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今天实在没有时间,但是难得看到量子话题上了知乎热搜 TOP1,终于还是忍不住了,那就简单说几句吧,一小会儿,就一小会儿。

我大体上同意 @刘易安 的观点:量子纠缠是真的,证明了量子力学是真的(自洽的)。

量子力学是一个反常识的理论框架,自从诞生以来就饱受非难。然而每一个量子实验都证明了这个反常识的理论是对的,甚至包括哪些“特意被设计出来证明量子是错的”的实验,比如今年刚得诺奖的阿斯派克特实验。

量子理论和实验的发展,给人的印象是越来越“诡异”。早期的经典实验“双缝干涉”就挺诡异的——虽然这个实验在今天看来很简单,但是如果你真的理解了这个实验的内在逻辑,你一定会对实验结果惊讶不已。

如果要解释双缝干涉实验,就不得不承认“量子叠加态”和“波函数坍缩”。然而一旦承认了这两个像是完全捏造出来的“虚假”概念,就会得到“薛定谔的猫”:关在封闭盒子里的猫,如果它的死活和一个量子世界的放射性粒子绑定,那么根据扯淡的量子力学,我们将得到一个更诡异的结论:这个猫也处于不死不活的叠加态!

“薛定谔的猫”本来被认为是不可能被做出的实验,结果很快有人做出了弱化版薛猫实验(离子),再后来还有人做出了分子级别的薛猫实验。这个“更诡异”的理论也被实验证实了,至少是弱化版证实了。

如果两个相关联(比如自旋相反)的粒子处于叠加态,那么根据越发扯淡的量子力学,我们将得到一个更更诡异的结论:这两个粒子的自旋方向是不确定的,只有在观察(所谓“坍缩”)的一瞬间才确定!两个粒子的“关联”传递时间绝对为 0!

这就是量子纠缠。

曾经这也是一个被认为不可能做出的实验,结果贝尔找到了一个做实验的角度,可以区分出一对纠缠粒子究竟是自旋方向一开始就确定了、只是我们不知道,还是真的一开始就不确定、直到我们观察的一瞬间才确定。这就是贝尔不等式。

贝尔设计了这个实验,可是贝尔自己也做不出这个实验(相信我,量子实验是很难做的)。最后法国人阿斯派克特第一个做出了这个实验,实验结果证明了“更更诡异”的量子扯淡结论反而是真的——纠缠粒子就是一开始不确定、直到被观察的一瞬间才确定!

60 年后的今天,阿斯派克特终于等来了诺奖。诺奖一向“虽迟但到”,通常只发给“老不死”。

2022 诺贝尔物理奖三位大佬,左一为阿斯派克特

我写过一本“零基础量子通信入门书”:《猫、爱因斯坦和密码学》。这本书从双缝干涉系列 6 个实验讲起,包括到薛定谔的猫,一直讲到量子纠缠和贝尔不等式。如果你想在科普意义上理解量子,可以看看这本书,这可能是东半球最容易看懂的的量子科普了。

其实量子纠缠在我看来还不是“最诡异”的。我觉得至今最诡异的量子实验应该是“vaidman 炸弹”和“魏格纳朋友”,这两个实验证实了——至少是支持了——量子的多世界诠释。

然而这两个最诡异的实验反而知道的人比较少,被营销号刷屏得比较少。为什么呢?

我觉得是因为无论是支持量子理论的人、还是反对量子理论的人,都麻了——一边是赢麻了,一边是输麻了。

既然无论多么扯淡的量子理论,最后都会被诡异的量子实验证实,那还有什么好“震惊”的呢?坐等打脸不香吗?

量子理论发展到今天,100 多年了,至少经过 3 代顶尖级科学家的挑战。那些反对量子理论反对得最厉害的人,今天被称为量子力学大师。他们的名字包括:薛定谔、爱因斯坦、贝尔。他们设计出的每一个“悖论”和“反例”,都是向着量子力学重拳出击,被实验结果打脸之后,脸上的那道红印就以他们冠名,成为量子力学经典案例:薛定谔的猫、EPR 佯谬、贝尔不等式……

一开始,没有人相信量子力学,包括那些发明量子力学的“量子力学大师”。大家普遍的态度是:这玩意儿能用、但不能信,它背后肯定有更深层的原因,只是我们暂时还没发现。

就像太阳升起并不是因为公鸡叫了,总有一天,我们会找到诡异的量子实验背后真正的原因,把“无人能懂”(波尔语)的扯淡量子理论变成“人人能懂”的正经科学。正如爱因斯坦曾经相信的那样:宇宙最不可理解的地方,是它居然是可以被人类理解的。

爱因斯坦如果活到今天,我不知道他还会不会坚信这句话。

因为 100 多年来的量子实验似乎一直在告诉我们,也许根本没有那个“背后的原因”,也许量子力学就是那个人们一直在找的“更深层”、“更本质”的理论,也许太阳真的是被公鸡叫起来的,量子计算机真的在利用多世界的算力,我们真的活在一个被巨大的量子计算机——宇宙——计算出的模拟世界里。

如果扯淡的量子理论是真的,那我们深信不疑的常识,反倒是假的。

遥想牛爵爷当年的黄金时代,物理学大厦上空晴空万里,只飘过两朵乌云:一朵变成了相对论,一朵变成了量子力学。

结果量子力学这朵乌云盘踞天空 100 多年,阴魂不散,越来越大,越来越近。有诗为证:

黑云压城城欲摧,甲光向日金鳞开。

人们抬起头,望着那朵巨大的乌云,心中不约而同地响起了一个声音:

暴雨将至。