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家乱伦在线视频 _连爱因斯坦的都难于理解的量子理论,神秘的量子纠缠你又知道多少

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发布时间:2019-08-13 07:24:26 来源:中国报道

我无法真正相信(量子理论),因为……物理学表示的是一种时间和空间上的实在,容不得超距的幽灵行为。——阿尔伯特·爱因斯坦

量子纠缠作为量子光学乃至量子力学最为核心的课题,获得了研究者们的广泛关注,其起源于Einstein-Podolsky-Rosen伴谬(EPR悖论),其本质来自于对物质之间的相互作用的定域性的认识。在量子尺度下,当两个系统各自的Einstein-Podolsky-Rosen算符的总起伏低于标准量子极限时,称这两个系统是不可分的,即这两个系统是连续变量纠缠的。量子纠缠按照其违背测不准原理的程度分为三个类别,分别是量子不可分、量子导引和贝尔非定域性。

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提出EPR悖论的科学家:爱因斯坦、波多尔斯基和罗森

1. 量子噪声

根据测不准原理,我们不可能同时精确地测量任何物体的两个正交量的值,即对于每次测量来说,测量值都会在一个小范围不停地变化,通常我们称之为量子噪声。这也是我们在量子尺度下分辨多个物体的依据,即通过测量观察多个物体是否符合其相应的测不准原理。随着量子光学研究的进展,人们发现在某些特定的情况下多个物体的量子噪声是可以违背测不准原理的,即当两个系统各自的Einstein-Podolsky-Rosen算符的总起伏低于标准量子极限时,我们称这两个系统是不可分的,也就是说这两个系统是连续变量纠缠的。

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范式量子波与量子噪声

一般来说,纠缠是一种无方向性的性质。若两个物体处在纠缠态,那么对这两个物体中的任意一个进行测量,我们都能够得到另一个物体的信息。近期的研究表明,还存在一类有方向性的量子纠缠,即量子导引。量子导引是一种具有单向性量子关联的量子态。相比于量子纠缠而言,单向量子导引在量子通信、量子计算等领域具有更广泛、更关键的应用。因此对量子导引的研究成了近期的研究热点。

2. 量子纠缠概述

作为与经典力学最大的不同,在量子理论中物理量都是有“起伏”的。在半经典描述中,任何物理量都可以被写为其测量值与其“起伏”之和。1927年,Heisenberg提出了著名的测不准原理,即人们不可能同时知道一个粒子的位置和它的动量。表示为: dx·dp>i/2其中,x代表位置算符,p代表动量算符。上式表示了粒子位置和动呈的不确定性必然大于或等于号,而这被称作标准量子极限。相干态被认为是最接近经典的量子态,其在两个正交方向上的噪声为真空噪声,也被称为标准量子噪声。

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海森堡测不准原理

在量子理论建立的早期,人们通常认为标准量子极限是无法被突破的,即任何物理量的量子噪声只会大于标准量子噪声。随着EPR伴谬的提出,人们逐步发现并确认了量子态的非定域性。这意味着若一个系统由A、B两部分组成,在原始状态下A与B之间是有相互作用的,在某种条件下,当我们将两个组分A和B分开足够远时,只要对A进行测量,那么我们就能够得到相应的B的状态信息。这种非定域性也就是量子纠缠的概念的起源。

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两异核原子量子纠缠

随着研究的深入,人们发现各个纠缠态展现出来的性质并不完全相同,此时就引入了纠缠度这个概念。如下图所示,灰色部分为条件最弱的不可分(Inseparable),即通过测量不能分辨出这两个系统;白色部分为条件稍强的量子导引(Quantum Steering),即在不可分的基础上出现了类似单向纠缠的性质;黑色部分为条件最强的非定域性(Nonlocality),即此时系统违背贝尔不等式。

3. 三种量子纠缠态

随着纠缠程度的提升我们将量子纠缠分为三个不同的部分:不可分量子导引、非定域性。这里我们对这三类类似却又不同的量子纠缠态进行阐述:

1)不可分

我们假定一个独立系统由两个子系统A与B组成,我们可以分别取两个子系统的两对正交分量,我们将这两对正交分量组成集合坐标与动量算符。若我们认为A与B之间没有任何的关联,相互独立,根据测不准原理的相关公式推导,当这两个子系统的量子噪声与一个独立系统的量子噪声相当,那么不等式满足,我们就不能通过测量发现这是由两个子系统组成的集合系统,即不可分。事实上我们这里只介绍了最基本的两体纠缠的形式,更复杂的还有三体乃至多体纠缠态。

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不可分量子纠缠

与此同时,我们通过该判据可以发现,在这种不可分状态下,两个系统具有对等的地位,即若系统处在这种状态,我们对子系统A进行测量,就可以得到B的状态信息。反过来,若我们对子系统B进行测量,就可以得到A的状态信息。

2)量子导引

量子导引对系统的要求要强于不可分。在不可分的基础上,我们可以通过对子系统进行某些操作,使之实现一种不对称的纠缠状态,我们称之为量子导引。量子导引与不可分最大也是最重要的不同点,即在量子导引状态下两个子系统并不对称。

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扩散型(导引型)量子纠缠

例如,若子系统A可以导引子系统B,那么意味着通过测量A的状态我们可以得到B的状态信息,但是对B进行测量并不能得到A的状态信息。一般情况下我们可以通过对子系统A添加某些特定的耗散可以达到这种效果。

3)非定域性:非定域性对量子噪声的要求是最严苛的,其必须使系统违背贝尔不等式,通过比较可以看出对量子噪声的要求从高到低分别是:非定域性、量子导引、不可分。

4. 量子纠缠的制备

最常见制备量子纠缠态的方式是利用光学参量下转换。假定对一二阶非线性晶体进行激发,由于晶体内部能级的分布,产生了一个光子对,如下图所示。左图中频率为w0的驱动场(Pump)对非线性晶体进行驱动,导致非线性晶体同时释放出一对纠缠的光子对,其频率分别为w1、w2,对应的波矢分别为k1、k2。右图中表明该纠缠光子对与驱动场之间满足能量守恒和动量守恒。这两个光子虽然具有不同的能级,但其满足能量守恒定律与动量守恒定律。

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利用参量下转换产生纠缠光子对, 该光子对需满足能量守恒与动量守恒

5. 量子纠缠的应用前景

1)量子保密通信

量子保密通信又被称为量子秘钥分发(Quantum Key Distribution),是利用量子力学特性来保证通信安全性。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥,来加密和解密消息。该领域已经发展了约40年,有BB84、B92、E91各种协议,我国潘建伟院士团队在该领域处于国际领先水平,已建成京沪量子干线。

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京沪量子干线

通过之前的描述,我们知道当A与B处在“不可分”的纠缠态时,对A进行测量就可以得到B的状态信息。那么可以事先制作好这样的一对处在纠缠态的A和B,并将其分发到我们想要进行通信的甲、乙两地。此时,若甲想对乙发送信息,甲可以将需要发送的信息编码进一系列测量的基底中,在用该基底对A进行测量,随后将测量结果通过公开信道传输给乙。在收到测量结果后,乙对B进行测量就可得到甲编码在测量基底中的信息。量子保密通信与传统方式最重要的区别就是,由于量子不可克隆原理的存在,一旦有窃听者丙存在,乙将会无法还原甲的测量基底,一旦误码率升高到某个阈值,甲与乙都知道该线路被窃听,因此量子保密通信可以保证保密的传输。

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量子通信确保通信安全

上述过程我们使用的是两体“不可分”的纠缠态,若我们使用的是多体“量子导引”的纠缠态,其应用范围将更广。由于在多体量子导引中,多方的地位并不对等,存在“上级”与“下级”的区别,因此可以实现类似保险柜的效果,即甲对乙、丙单向发送信息,并且乙、丙需同时对该信息进行测量才能获得真实的信息,一旦乙、丙有一方不对该信息进行测量,另一方将无法获得该信息。

事实上已经有一些理论工作发现可以通过量子导引实现多体单向性量子通信。当量子态传递过程中的保真度保持在2/3以上时,我们就可以确定该单向量子导引是安全的,即该量子信道中没有窃听者。虽然目前两体量子导引在实验室中已经实现,但其离实际应用的距离还很遥远。多体量子导引的实现条件则更为苛刻。更重要的是,多体量子导引理论上的证实大大拓竞了量子导引技术在实际应用上的覆盖范围,因此对其进行实验乃至工程化应用的研究是十分有必要的。

2)量子计算

传统计算机使用门电路进行计算,即每个字节表示0或者1。而在量子尺度下,由于量子态的态叠加理论,一个量子比特可以表示0到1的叠加态。如果有N个这样的量子比特,并且与此同时它们之间是相互纠缠的,那么我们只需要对这样的N个量子比特系统进行一次操作(运算)就相当于进行了2N次运算,而传统计算机利用N个比特只能进行2N次运算。更重要的是,若我们实现的不仅仅是多体量子纠缠,而是多体量子导引,那么由于量子导引的单向性与非对称性,可以实现更高保真率的量子态传递,这对于量子计算的可靠性有着巨大的提升。

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量子计算机内核

【点评】学术前沿:

非经典态的制备是量子光学领域的重要课题,一直以来都是理论和实验研究的热点。有关量子纠缠的理论研究从20世纪就开始了,但是实验上的进展却相对较为缓慢,直到21世纪开始才逐步在某些领域,如量子密钥分发、量子计算机等方向出现了一些突破性进展。然而直到现在,对其相关应用的工程化探索才刚刚起步。对该领域的研究会有非常广泛的应用前景,例如文中提到的量子保密通信就可以彻底解决传统保密通信中密钥泄露所产生的泄密事件,而量子计算机的问世会呈指数形式的提升人们的工作效率,甚至可能改变人们的生活方式。

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