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诡异的量子叠加和量子纠缠,大自然并不禁止远超光速的瞬间移动

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宇宙时空 2021-05-13 20:31

量子是物质的最基本构成单元,或者说是能量的最基本携带者。所有的微观粒子,包括分子,原子,电子和光子都是量子的一种表现形态。举个简单的例子,我们每天都要喝水,把一杯水分成一半,然后四分之一,一直细分下去,就变成一个个水分子了,而水分子本身就是量子的范畴。

构成世界的所有物质都是由很小的微粒子组成的,所以从某种程度上讲,人类就是一个庞大量子的集合体,整个世界也是由量子组成的。因为已经是最小的单位了,所以量子不能再被分割。

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小小的量子有一个非常奇怪的特性,那就是量子叠加。在我们熟悉的经典世界里,一切都是确定性的,比如说一只猫,它要么是死的,要么是活的。再比如说,你在一栋三层楼里,在某一个具体的时间点,你只可能在其中的一个地点。

但在量子世界却完全不同,只要没有人来干扰(这一说法叫测量或者观察),你的状态就是不确定的。一只猫既可以是死的,也可以是活的,还可以处在死和活的叠加状态上(参考薛定谔的猫),而你也可以同时在三层楼的任何地点。因为这些不确定性,所以量子不能被准确复制。

此外,量子还有一个让人匪夷所思的特性,量子纠缠。微观世界里,两个粒子之间可以存在纠缠关系,当对其中一个粒子进行操作或者测量时,远处另一个粒子的状态会瞬间做出相应的改变,哪怕距离很远也是这样。

比如说,甲乙二人在北京和上海同时掷骰子,正常情况下,两个人不可能每次掷骰子的结果都一样,但因为有了纠缠关系,这两个骰子就仿佛有了心电感应一样,每次掷骰子的结果都完全一样。爱因斯坦称这种现象为“幽灵般的超距作用”。

量子为什么会这样,至今还是个谜。不过不知道为什么这并不阻碍我们可以利用它的特性来为我们服务。

比如说很多人都有感触的脆弱的信息安全,在传统的信息通讯中,只要偷去一小部分的信息,就能实现窃听,而且不被发现。打个比方,传统通讯就好比一杯水是甜的,另一杯水是咸的,你只要能搞出一滴水来尝尝,就可以知道水是甜的或咸的,就可以完全知道信息了,而不必搞到整杯水。

而在量子世界里,这一切可以被彻底颠覆。比如说甲乙双方在通讯时会发送无数把秘密钥匙以接收信息,这些钥匙全被加载到了量子身上,而因为量子不可分割,不可复制,所以窃听者无法从量子身上偷出一小部分,要偷就必须把整个钥匙偷走,或者是扰动量子的状态,而这样一来,使用者就能马上发现,将钥匙作废,重新发送一把新的加密信息。

通过量子通信,人们可以从根本上解决国防,金融,政务和商业等领域的信息安全问题,也正因为如此,量子力学也被称为是继微电子信息之后,最可能引发军事经济和社会领域又一次重大革命的关键技术!

而量子技术应用在计算机上,可以给计算能力带来质的飞跃。举个例子,目前全球最快的计算机来做一个10的24次方的参数组成的线性方程组的话,大概要计算100年以上。但是用一台万亿次的量子计算机,只要0.01秒就可以完成!

而量子隐形传态估计很多人更感兴趣,因为它和穿越有关。在很多科幻电影中,我们能看到一种神奇的机器,人走进去会瞬间消失,之后被瞬间送到另一个遥远的地方。

在诡异的量子世界里,这种传送有可能真的实现吗?

在原理上讲,至少目前的量子力学没有禁止我们这么做。我们可以这样理解,把一个人还原成一团原始的物质,然后在一个遥远的地方,把那个人的信息传过去之后,在量子纠缠的帮助下,把他重构出来,而这个过程他所有的记忆和想法都完全一样的!

尽管在量子力学的背后,还有很多很多人不能理解的地方,但不能否认的是,量子科技已经深深地深入到我们生活中,终有一天,物理学家们会揭开量子力学神秘的面纱!

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