科学网|什么是量子纠缠？ 雷毅的博客文章

“了解远距离的怪异动作”英文稿. pdf

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用一句话描述这篇文章:

爱因斯坦说，没有什么可以超过光速的. 有人说量子纠缠是可以的，它是量子信息和量子计算的基础. 我说过量子纠缠也是不允许的，您使用了错误的理论. 量子纠缠是一种光子相干距离长，受测量影响，没有多余的距离效应的现象.

什么是量子纠缠？

雷伊安

一个，起源

量子纠缠，或反映为量子态的非局部性，是量子力学中最难理解的概念之一. 世界上最伟大的科学家也会感到困惑. 爱因斯坦称其为“远距离的怪异动作”. 爱因斯坦因为难以理解，因此认为量子力学是有问题且不完整的，并与合作者一起撰写了历史上最著名的文章之一[1]，证明了量子力学的描述是不完整的. 量子力学的创始人之一薛定ding（Schrödinger）也有同样的想法[2]，并首先使用了“纠缠”一词.

1964年，贝尔[3]注意到有一种方法可以区分隐藏变量理论和爱因斯坦支持的量子力学. 自1972年以来，S. Freedman和J. Clauser [4]，A. Aspect [5]于1982年以及B. Hensen等. [6]在2015年，爱因斯坦（Einstein主张）理论被排除在许多基于局部现实主义的实验之外，这证明了量子力学的正确性. 逐渐地，人们对量子态的非局部性的怀疑越来越少，基于这种特性的研究如量子通信，量子计算等蓬勃发展.

不仅如此，许多量子通信和量子计算领域的研究人员还声称“无论量子相距多远，量子纠缠都会瞬间发生”，甚至“无论多么紧密地封装”，“相隔数亿光年” ”. 那会吗任何认真的科学家自然会提出问题. 毕竟，实验还没有证明在这些条件下量子纠缠仍然存在. 最长距离的实验只有1200公里[7]，距离亿万光年还太远. 那么，真的可以在很长一段时间内跨星系真正实现量子纠缠吗？

让我们从这一陈述的理论基础开始.

第二，量子纠缠的理论表达及其隐含假设

作为所有与量子纠缠相关的研究的基础，量子纠缠的数学表达式是几种本征态（例如Belle）的叠加:

人能量子纠缠吗，

（1）

和GHZ状态:

（2）

在这些定义中，每个符号的具体含义并不重要，重要的是上面的每个符号都是常量. 也就是说，从纠缠的定义开始，所有相关的研究对象都不会随时间变化，并且始终是一个常数. 这是一个很大的隐含假设，但没有人为该假设辩护. 根据这个定义，当然“无论相距多远”都可以保持量子纠缠.

这些定义是否实际？如果它们是物理的，它们是否完整？

在现实世界中或在实验中，量子纠缠的状态会随着时间而改变（否则它将不会发生）. 换句话说，以上定义既不是物理上的也不是完整的. 这只是一个简化过的数学表达式，剥夺了许多重要的物理属性. 我们不能从这样的定义出发，而扩展到“宇宙的另一面”.

三，光子的定义

由于所有现有的量子纠缠实验都与光子（作为纠缠粒子或纠缠介质）密不可分. 如果纠缠不需要实体或介质，并且需要对基本概念进行非常大的改变，则相关的研究将成为哲学或数学，光子是纠缠的中心，所以光子到底是什么是一个非常重要的问题. 不幸的是，在我们的物理系统中，尽管光子的位置非常基本而且非常重要，但定义尚不清楚.

光子的正统定义（标准模型）来自量子电动力学（QED）. 根据此定义，光子是一个稳定的基本粒子，没有静止质量，自旋为1（即圆极化），与频率成正比的确定能量，并且是电磁相互作用的介质粒子. 不幸的是，该定义仅具有理论意义，因为这种光子的波函数是一个覆盖整个宇宙的平面波，这在实验中是不可能观察到的. 根据此定义，“相隔数亿光年”的纠缠是可能的.

但是，在现实世界中（实验），光子是由原子（分子，固体）中电子的能级跃迁产生的. 这样的光子具有固有的线宽，这是能量不确定性. 在每个时刻，波动函数的大小都会受到限制，本地时间也会受到限制. 它可以具有各种极化模式，也可以是许多频率的叠加.

我们应该从物理学中光子的定义来讨论量子纠缠，因为物理学或实验是科学的基础研究方法和基础. 它不应该从数学的定义开始，否则就是数学.

本征线宽对物理光子意味着什么？

四，固有线宽和海森堡不确定性

任何物理光子都有一个固有的线宽，即能量不确定性，它与相关能级跃迁的寿命有关，即时间不确定性. 两者满足海森堡不确定性关系: <

（3）

关于能量不确定性可能存在误解. 可能有人认为能量不确定性是统计的，也就是说，对于每个光子，能量是确定性的，但是每个光子的能量是不同的. 根据正统的哥本哈根解释，每个光子的能量和时间不确定性是其固有属性. 对于单个光子，其能量是不确定的. 请注意，从测量的角度来看人能量子纠缠吗，这种误解不能被证伪.

还应注意，在普通量子力学中，该系统常被视为稳态，只能求解能级的能量，而无法获得能级宽度，因此单能获得光子，这也是非物理的.

物理上，激发态能级的寿命与光子的时间不确定性相对应. 可以认为，时间不确定性的宽度决定了非局部标度范围，这为量子纠缠距离设置了限制. 下面我们将从实验中找到证据.

如果光子用于生成一对光子，例如在自发的参数下转换（SPDC）中，则该对光子的时间不确定性宽度不一定与光子相同，但是它们的时间不确定性宽度将设置其纠缠距离的极限. 这也是地方现实主义. 与爱因斯坦的局部现实主义的区别在于，光子的时间不确定性限制了非局部利益的范围，这是量子纠缠的极限.

不幸的是，不确定性关系没有给出这个距离，只能有一个大致的最小极限.

五，哥本哈根解说和标准时间

除了海森堡不确定性关系外，波动函数的定义是哥本哈根学派最重要的原理之一. 波函数Ψ（x，t）包含所有量子态信息.

那么波动函数的时间不确定性Δt是什么意思？我们通常说波动函数的坐标不确定度Δx，这意味着粒子在空间坐标维度上具有分布，并且同时处于这些位置. 完全平等地考虑时间不确定性，含义是相同的，波动函数在时间上具有分布，波动函数只能在该时间段内. 这里有问题，在这段时间之外吗？波函数或粒子消失了吗？确实，如果我们将空时视为等效，则粒子将在该时间段内消失并在其他时间（空间）内出现. 这实际上是场论观点. 时间和空间的形式至少相等. 相应的不确定性没有经典对应性.

我们可以将这种时标时间概念称为通常的牛顿时间概念. 实际上，在量子理论中，从未证明时间是牛顿式的. 从一开始，每个人都是那么默契.

如果您将时间视为波动函数的一个维度，那么就会很好地理解许多奇怪的反直觉量子现象，例如纠缠，延迟的选择性干涉等. 因为从波动函数的概念我们可以知道波函数是势场和边界条件下基本方程的解. 附带条件包括如何测量，甚至改变主意，只要波动函数的时间不确定性和相关的空间不确定性覆盖了您的测量设备和动作. 波动函数是在这些条件下的解，所谓的纠缠只是这些条件的体现. 换句话说，只要不超过时间不确定性，光子就会知道如何测量.

实际上，这是局部现实主义，但是这个局部区域占据了一定的时间和空间范围. 局部现实主义，这意味着不可能发生超腔连接，是我们理论体系的重要基础. 因此，量子纠缠的非局域性违反了局域现实性，实际上引起了很多混乱. 本文将证明量子纠缠不违反局部现实主义.

此外，在非相对论量子力学的理论框架中，没有光子的概念，因此不可能处理光子. 但是量子纠缠与光子密不可分，也就是说，非相对论量子力学根本不能用来理解量子纠缠.

但是本文在哥本哈根学派的理论框架内解释了量子纠缠，因此波函数的解释需要进一步扩展.

六. 实验证据

有人会说，如此多的实验证明了量子纠缠的非局域性. 雷延为什么要说量子纠缠不违反局部现实主义. 让我们看一下实验.

由于非相对论量子力学已被用于讨论量子纠缠，因此存在常数纠缠的上述定义.

量子纠缠通常使用Bell-CHSH不等式定义纠缠度. 该值的最大值为2.828，并且非局部量子纠缠仅大于2. 满足局部真实性的隐藏变量的理论值为2.

几十年来，我们汇总了多个科研小组的实验结果，列表如下:

由于实验是由不同的研究人员在很长的一段时间内使用不同的实验设备完成的，因此详细的定量分析可能并不严格，但我们仍然得出以下结论:

1. 在离子缠结的情况下，CHSH不等式的值很小，偏差不大2.

2. 长距离纠缠实验只能使用光子，离子纠缠距离仅为米量级.

3. 总体而言，随着纠缠距离的增加，纠缠程度降低.

4. 一个小组连续进行了两个不同距离的实验. 距离增加，纠缠减小.

图1中，纠缠度随距离而变化. 左下角的两个是离子纠缠实验的结果.

VII. 讨论与结论

对于离子纠缠实验，较低的纠缠度是因为一般原子（离子）的能级寿命仅为几纳秒，并且相应的纠缠介质粒子（即光子的作用距离）仅为光速乘以几纳秒，大约是1米.

在光子纠缠的情况下，光子通常由激光产生. 我们知道激光是由亚稳能级产生的，并且相应的能级寿命很长. 对于普通的1046nm YAG激光器，能级寿命为203微秒，而激光能级寿命为3毫秒. 应当注意，时间不确定性不是严格的限制. 即使经过5个寿命，指数衰减后的光强度仍为e-5〜1％. 对于激光来说，这意味着15毫秒，在真空中距离为4,500公里.

通常来说，光子纠缠是指两个光子朝不同的方向移动并保持纠缠. 该声明不是毫无根据的，它只是一个声明，并且非常可疑. 在基本的量子力学理论中，对量子现象的解释是通过单个量子态的波函数进行的. 例如，一般认为双缝干涉现象是，只有一个光子/电子/原子/分子同时通过两个缝隙时，才会发生干涉，即每个量子只干涉自身，因为只有一个波函数.

如果两个光子纠缠在一起，则称为相互作用，非相对论量子力学无法描述相互作用（仅通过尺寸图像的势场）. 但是根据量子电动力学，两个低能光子不能相互作用（非常弱，只有高阶项，否则我们就不会在远处看到星星），因此关于两个光子纠缠的说法是没有根据的. 即使根据Belle的定义，Belle还是一个波动函数，已对其进行归一化和积分以获得粒子. 根据以上陈述，两个光子纠缠态波函数的积分将产生两个光子，这在概念上是一个很大的变化. 没人真正注意到这种差异.

根据我们上面的理解，单个光子纠缠是完全可以理解的，哥本哈根的测量理论也可以很好地解释实验结果.

“一个光子在左边，一个光子在右边”的描述已经违反了量子力学不能知道粒子确切位置并且与相同粒子没有区别的基本原理. 如果它们已分离，则它们是不相关的两个粒子（用于低能光子）.

了解量子纠缠的一种更合理的方法是: 在设定的测量环境条件下，电磁场的激发模式.

这也是纠缠无法传输信息的原因. 光子仅被动响应测量方法. 当然，两端不能传输信息.

在考虑了量子态的时间不确定性之后，局部真实性仍然得以建立，并且没有超光速相互作用.

（以上关于单光子纠缠，Belki积分，相同粒子等的陈述可能是一个小问题，这要感谢Chen Xuelei，徐刚等人的讨论，但不影响上面的大结论）

本文的澄清和补充

量子纠缠的“主流理解”和几个典型的隐喻错误

量子纠缠的“奇怪理论”和普通的测量解释，谁更合理？

对本文的评论意见

数学量子位和物理量子位的区别

量子叠加是完全线性的吗？

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