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这就好比从一副卡牌中取出背面颜色未定的牌。
这与我们的经验相悖,每张纸牌的正面有一定有特定花色,背面一定有特定颜色。
无论我们是否清楚,甚至是发牌人是否清楚花色或者颜色是什么,我们都会非常确信,当这些牌被发给我们时,它们确实具有特定的花色和颜色。
我们当然不希望它们的这些属性被我们的行为影响。
但是量子力学却告诉我们,我们不能预先确定纸牌的花色和颜色。
只有通过测量才能给出确定的结果。
但是我们不能简单地认为,测量出来的结果就是之前不知道的、预先设置的光子特性。
事实上,当光源产生单个光子时,你不能事先确定光子的偏振,因而实际测量的结果并不是其事先具有的偏振,而是如果没有测量,你将永远不知道其偏振状态。
用纸牌游戏来说,如果你企图设计出一种发牌方式得到相同的效果,你会发现那是不可能的,除非这些纸牌可以同时以红黑或绿蓝的方式叠加[7]。
对光子来说也是一样,它们必须处在水平和垂直偏振的叠加态,形成某种特定的相关性,这种相关性被称为“量子纠缠”
。
纠缠是一个非常奇怪的概念,我们不可能从普通日常的角度来考虑它,例如之前举的纸牌游戏的例子。
然而,纠缠也很常见。
它出现在许多量子尺度的事物中,甚至也发生在日常生活中。
例如,分子中电子之间的相关性就是纠缠;在构成分子的原子之间,甚至是相对较小的原子之间也可以通过纠缠形成化学键;纠缠还造就了像超导体这样的特殊物质。
令人惊讶的是,纠缠也可以被运用到现实技术中。
你很难想象这样一个神秘而抽象的概念可以有任何实际用途,但它确实有用。
它使很多信息处理的方法得以实现,而这些方法是不能够通过来回发送经典波来实现的。
事实上,所有的信息处理系统都是建立在物质实体之上,这表明,这些系统必定反映了其组成部分的物理原理(通常是经典物理)。
这使得人们看到了新的机遇,即可以基于量子力学来建造新的系统,如在计算、通信和测量技术方面创造新技术,并以前所未有的方式超越当代技术。
例如,未来通信的安全性将由自然法则所保障;未来的计算机能够解决现在我们根本“无法计算”
的问题;未来的成像系统可以让我们看到从未看到过的物体。
光在创建这样的系统中起着重要的作用。
例如,光纤网络的基础设施可以用来在双方之间绝对安全地发放随机的“量子密钥”
(0和1的随机字符串),然后再利用“量子密钥”
来编码需要传递的消息。
这样的网络还可以用来连接小型量子处理器,最终组成分布式量子计算机。
事实上,研究也表明,原则上可以完全不借助光来建造量子计算机,尽管这种方法极具挑战性。
这些技术的结合为量子互联网的未来带来了希望,这是一种与我们目前使用的技术完全不同的通信和处理信息的方式,而且都将通过光来实现。
[1] 1904—1979,英国核物理学家。
[2] 改变电磁波电场强度的方向等性质,光学上被称为偏振。
[3] 1896—1966,美国物理学家,为了论证量子力备性,于1993年与爱因斯坦和内·森罗森一起提出了EPR佯谬。
[4] 1909—1995,以色列物理学家,与爱因斯斯·波多尔斯基一起提出了EPR佯谬。
[5] 1928—1990,爱尔兰物理学家,发展了量子力的贝尔定理。
[6] 原文为(R,b)是红色蓝色之意可以出现,疑为出错误。
[7] 即纸牌处在一种状态下,使得它的正面花色同时既是红色也是黑色,背面颜色既是蓝色也是绿色。
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