没有任何接触的独立粒子的量子纠缠

时间:2020-04-17 21:02 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

没有任何接触的独立粒子的量子纠缠

身份的纠缠,或从未接触过的互动

什么是交互作用,它什么时候发生?直觉认为,独立产生的粒子相互作用的必要条件是它们通过物理力载体的直接接触或接触。在量子力学中,相互作用的结果是纠缠,即系统中出现非经典的相互关系。看来量子理论允许独立粒子之间的无接触纠缠。同类粒子的基本特性是造成这种现象的原因。

整体不是各部分的总和,而是各部分的总和。本;亚里士多德(《形而上学》第八卷)

量子力学是目前物理学家用来描述我们周围世界的最好、最精确、最复杂的理论。然而,抽象数学语言的特征是导致严重的解释问题。这一理论所提出的现实观仍然是一个科学争论的主题,它不是随着时间的流逝而消亡,而是变得越来越热门和有趣。从量子信息的角度出发,从实验技术的巨大进步出发,提出了新的研究动机和有趣的问题。这允许验证从与解释问题直接相关的微妙思维实验中得出的结论。此外,量子通信和量子计算机技术领域也取得了巨大的进步,这极大地利用了量子力学提供的非经典资源。

波兰科学院核物理研究所的Pawel Blasiak和格但斯克大学的Marcin Markiewicz的工作重点是分析关于量子力学基础和解释的广泛接受的范式和理论概念。研究人员试图回答这样一个问题:在现实的世界观中,用来描述量子力学过程的直觉在多大程度上是合理的。为此,他们试图澄清具体的理论思想,往往以模糊的直觉形式运作,使用数学语言。这种方法常常导致令人鼓舞的悖论的出现。当然,一个给定的悖论所涉及的概念越基本,就越好,因为它为更深入地理解给定的问题打开了新的大门。

本着这种精神,两位科学家都决定思考一个基本问题:什么是交互作用,它何时发生?在量子力学中,相互作用的结果是纠缠,这是系统中出现的非经典关联。想象一下在遥远的星系中独立产生的两个粒子。看来,出现缠结的一个必要条件是,在它们的演化过程中,粒子必须在某一时刻相互接触,或者至少是通过另一个粒子或物理场来传递相互作用的间接接触。不然他们怎么能建立这种神秘的结合,也就是量子纠缠?然而,矛盾的是,事实证明这是可能的。量子力学允许在不需要任何,甚至间接接触的情况下发生纠缠。

为了证明这个惊人的结论是正确的,我们应该提出一个方案,在这个方案中,粒子在一定距离上显示出非局域相关性(在钟型实验中)。这种方法的微妙之处在于,它排除了将互动理解为某种形式的接触的可能性。这样的方案也应该是非常经济的,所以它必须排除可能介导这种相互作用的力载体(物理场或中间粒子)的存在。Blasiak和Markiewicz从Yurke和Stoler最初的考虑出发,说明了如何做到这一点。他们把Yurke和Stoler的考虑重新解释为粒子从不同来源穿过的路径的排列。这种新的观点允许产生任何纠缠状态的两个和三个粒子,避免任何接触。该方法可以方便地推广到更多的粒子。

在没有相互作用的情况下,怎么可能使相互独立的粒子纠缠在一段距离之外呢?这是量子力学本身给我们的暗示,其中的同一性所有同类粒子的基本不可分辨性;是假定的。例如,这意味着整个宇宙中的所有光子(以及其他基本粒子家族)都是相同的,不管它们的距离如何。从形式的观点来看,这可以归结为玻色子的波函数的对称化或费米子的反对称化。粒子特性的影响通常与它们的统计相关,对相互作用的多粒子系统(如玻色-爱因斯坦凝聚或固态能带理论)的描述产生影响。在更简单的系统中,粒子同一性的直接结果是费米子的泡利不相容原理或玻色子的量子光学中的聚束原理。所有这些效应的共同特征是粒子在空间中某一点的接触,这遵循了相互作用的简单直觉(例如,在粒子理论中,这归结为相互作用的顶点)。因此,认为对称化的结果只能用这种方式来观察。然而,相互作用本身就会导致纠缠。因此,不清楚是什么导致了观察到的效应和非经典的相关性:它本身是一种相互作用,还是粒子固有的不可分辨性?两位科学家提出的方案绕过了这一困难,消除了任何接触都可能发生的相互作用。因此,非经典关联是粒子同一性假设的直接结果。因此,我们找到了一种方法来从它们的基本不可分辨性中纯粹地激活纠缠。

这种观点,从量子力学的基础问题出发,可以实际用于为量子技术生成纠缠态。这篇文章展示了如何创建任意两个和三个量子位元的纠缠态,这些想法已经在实验中实现了。结果表明,所考虑的方案可以成功地推广到任意多粒子纠缠态。作为进一步研究的一部分,两位科学家都打算从理论解释和实际应用的角度详细分析相同粒子的公设。

一个令人惊讶的事实可能是,粒子的不可分辨性假设不仅是一个正式的数学过程,而且其纯形式导致了实验室观察到的结果。宇宙中所有相同的粒子都具有非定域性吗?从监视器屏幕发出的光子和来自宇宙深处遥远星系的光子似乎只是被它们相同的性质所纠缠。这是科学界即将面临的一个重大秘密。

在不接触的情况下纠缠三个量子位元Pawel Blasiak和Marcin Markiewicz, 2019年12月27日,科学报道。

DOI: 10.1038 / s41598 - 019 - 55137 - 3

Henryk Niewodniczanski核物理研究所(IFJ PAN)是目前波兰科学院最大的研究所。“锅的广泛的研究和活动包括基础研究和应用研究,从粒子物理学和天体物理学,通过强子物理、高,中期,和低能核物理,凝聚态物理(包括材料工程),对各种方法的应用核物理的跨学科研究,涉及医学物理学、剂量测定法、辐射、环境生物学、环境保护、和其他相关学科。IFJ PAN的年平均产量包括由Clarivate Analytics出版的期刊引用报告中的600多篇科学论文。该研究所的一部分是回旋加速器中心(CCB),这是一个在中欧独一无二的基础设施,作为医学和核物理领域的临床和研究中心。国际能源日潘是玛丽安·斯莫罗夫斯基·克拉克研究协会的成员之一。该中心在2012-2017年期间拥有全国领先的物理研究中心(KNOW)的地位。2017年,欧盟委员会授予研究所“人力资源卓越研究奖”。该研究所在科学和工程领域属于A 类(在波兰处于领先水平)。

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