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量子纠缠与量子纠缠态 精选

已有 8493 次阅读 2018-4-17 15:59 |个人分类:疑难剖析|系统分类:观点评述

 

量子纠缠(quantum entanglement)最初的概念源自于爱因斯坦、波多尔斯基和罗森1935年在Physical Review上发表的论文《Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?》。根据量子力学理论,当一个微观粒子的动量已知的时候,它的坐标不具有实在性。由此得到如下结论:(1)由波函数给出的对物理实在性的量子力学描述是不完备的;或者(2)当两个物理量对应的算符不对易时,这两个物理量不能同时具有确定的值 或实在性。为了证明坐标和动量能够同时具有确定的值或实在性,爱因斯坦等人设计了如下实验:有两个系统或粒子在t<0的状态是知道的,t=0与 t=T 之间可以有相互作用,t>T后不再有相互作用,且状态可以由薛定谔方程给出。如果第一个粒子的动量为p,那么第二个粒子的动量为−p 即两个粒子的动量具有确定的关联。通过测量第一个粒子的动量,就可以知道第二个粒子的动量,且对第二个粒子没有任何扰动。第二个粒子的坐标可以通过直接测量知道。这样第二个粒子的动量与坐标就具有同时的实在性,即可以同时知道,因此只剩下一种可能:由波函数给出的对物理实在性的量子力学描述是不完备的。这就是著名的EPR佯谬,充分展示了量子力学的缺陷。上面所述两个微观粒子的动量具有确定的关联后来被薛定谔称为量子纠缠,属于动量纠缠。总自旋为零的两个电子的自旋具有确定的关联,即如果一个电子的自旋朝上,另一个电子的自旋必定朝下,属于自旋纠缠。利用参量下转换产生的光子对的偏振方向相互垂直,属于偏振纠缠。一个光子与其通过受激辐射克隆的复制品具有固定的相位差,属于相位纠缠。

量子纠缠态是与量子纠缠相联系的一种量子系综的状态,其态矢量不能表达为各子系综本征态矢量的直积。在EPR论文中提到沿z方向运动的粒子处于动量为p的本征态,沿−z方向运动的粒子处于动量为−p的本征态,这两个微观粒子系综组成的量子复合系综的态矢量能够表达为这两个子系综动量本征态矢量的直积,按照上述定义就不属于量子纠缠态。自旋纠缠复合系综由两个本征值分别为p1和p2的子系综组成,这两个系综虽然都属于动量本征态,但不是自旋本征态,即每个系综中电子的自旋可能朝上,也可能朝下。自旋纠缠复合系综的态矢量不能表达为两个子系综自旋本征态矢量的直积,按照上述定义就属于量子纠缠态。由于在测量之前,自旋投影是未知的。自旋投影的测量结果与测量磁场的方向有关。不论磁场梯度沿什么方向,自旋投影不是与该方向相同,就是与该方向相反,投影大小为常数。如果两个实验测量装置的设置是相同的,两个电子自旋测量结果的关联就是确定的。这种关联与人们常识是一致的,没有任何神秘或怪异之处。如果两个装置的设置不同,即测量磁场的方向不同,虽然两个电子自旋测量结果的关联不再是完全确定的,但是仍然存在,也是完全可以理解的。

综上所述,量子纠缠与量子纠缠态是两个完全不同的概念。如果混淆这两个不同的概念,就会造成不必要的误解。不论是量子纠缠还是量子纠缠态都是完全可以理解的,没有任何神秘或怪异之处。




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