高中物理競賽資料：量子糾纏

匯報人：龍馨馨量子糾纏

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PAGE物理概念歷史基本概念應(yīng)用物理概念ONE物理概念在量子力學(xué)里，當幾個粒子在彼此相互作用后，由于各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無法單獨描述各個粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)，則稱這現(xiàn)象為量子纏結(jié)或量子糾纏（quantumentanglement）。量子糾纏是一種純粹發(fā)生于量子系統(tǒng)的現(xiàn)象；在經(jīng)典力學(xué)里，找不到類似的現(xiàn)象。歷史TWO歷史

1935年，在普林斯頓高等研究院，愛因斯坦、博士后羅森、研究員波多爾斯基合作完成論文《物理實在的量子力學(xué)描述能否被認為是完備的？》，并且將這篇論文發(fā)表于5月份的《物理評論》。這是最早探討量子力學(xué)理論對于強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)所做的反直覺預(yù)測的一篇論文。在這篇論文里，他們詳細表述EPR佯謬，試圖借著一個思想實驗來論述量子力學(xué)的不完備性質(zhì)。他們并沒有更進一步研究量子糾纏的特性。首張量子糾纏圖像歷史薛定諤閱讀完畢EPR論文之后，有很多心得感想，他用德文寫了一封信給愛因斯坦，在這封信里，他最先使用了術(shù)語Verschr?nkung（他自己將之翻譯為“糾纏”），這是為了要形容在EPR思想實驗里，兩個暫時耦合的粒子，不再耦合之后彼此之間仍舊維持的關(guān)聯(lián)。不久之后，薛定諤發(fā)表了一篇重要論文，對于“量子糾纏”這術(shù)語給予定義，并且研究探索相關(guān)概念。歷史薛定諤體會到這概念的重要性，他表明，量子糾纏不只是量子力學(xué)的某個很有意思的性質(zhì)，而是量子力學(xué)的特征性質(zhì)；量子糾纏在量子力學(xué)與經(jīng)典思路之間做了一個完全切割。如同愛因斯坦一樣，薛定諤對于量子糾纏的概念并不滿意，因為量子糾纏似乎違反在相對論中對于信息傳遞所設(shè)定的速度極限。后來，愛因斯坦更譏諷量子糾纏為鬼魅般的超距作用。歷史1972年，約翰·克勞澤與史達特·弗利曼（StuartFreedman）首先完成這種檢試實驗。1982年，阿蘭·阿斯佩的博士論文是以這種檢試實驗為題目。他們得到的實驗結(jié)果符合量子力學(xué)的預(yù)測，不符合定域性隱變量理論的預(yù)測，因此證實定域性隱變量理論不成立。但是，每一個相關(guān)實驗都存在有漏洞，這造成了實驗的正確性遭到質(zhì)疑，在作總結(jié)之前，還需要完成更多精確的實驗。歷史這些年來，眾多研究結(jié)果促成了應(yīng)用這些超強關(guān)聯(lián)來傳遞信息的可能性，從而導(dǎo)致了量子密碼學(xué)的成功發(fā)展，最著名的有查理斯·貝內(nèi)特（CharlesBennett）與吉勒·布拉薩（GillesBrassard）發(fā)明的BB84協(xié)議、阿圖爾·艾克特（ArturEckert）發(fā)明的E91協(xié)議。2017年6月16日，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星墨子號首先成功實現(xiàn)，兩個量子糾纏光子被分發(fā)到相距超過1200公里的距離后，仍可繼續(xù)保持其量子糾纏的狀態(tài)。量子糾纏度量THREE量子糾纏度量量子糾纏與量子系統(tǒng)失序現(xiàn)象、量子信息喪失程度密切相關(guān)。量子糾纏越大，則子系統(tǒng)越失序，量子信息喪失越多；反之，量子糾纏越小，子系統(tǒng)越有序，量子信息喪失越少。因此，馮諾伊曼熵可以用來定量地描述量子糾纏，另外，還有其它種度量也可以定量地描述量子糾纏。對于兩體復(fù)合系統(tǒng)，這些糾纏度量較常遵守的幾個規(guī)則為

：糾纏度量必須映射從密度算符至正實數(shù)。假若整個復(fù)合系統(tǒng)不處于糾纏態(tài)，則糾纏度量必須為零。對于純態(tài)復(fù)合系統(tǒng)，糾纏度量必需約化為馮諾伊曼熵。對于命定性的定域運算與經(jīng)典通訊（localoperationandclassicalcommunication）變換，糾纏度量不會增加。對于兩體純態(tài)，只有馮諾伊曼熵能夠量度量子糾纏，因為只有它能夠滿足某些量度量子糾纏必須遵守的判據(jù)。對于混合態(tài)，使用馮諾伊曼熵并不是能夠量度量子糾纏的獨有方法。應(yīng)用FORE應(yīng)用量子糾纏是一種物理資源，如同時間、能量、動量等等，能夠萃取與轉(zhuǎn)換。應(yīng)用量子糾纏的機制于量子信息學(xué)，很多平常不可行的事務(wù)都可以達成：量子密鑰分發(fā)能夠使通信雙方共同擁有一個隨機、安全的密鑰，來加密和解密信息，從而保證通信安全。在量子密鑰分發(fā)機制里，給定兩個處于量子糾纏的粒子，假設(shè)通信雙方各自接受到其中一個粒子，由于測量其中任意一個粒子會摧毀這對粒子的量子糾纏，任何竊聽動作都會被通信雙方偵測發(fā)覺。密集編碼（superdensecoding）應(yīng)用量子糾纏機制來傳送信息，每兩個經(jīng)典位元的信息，只需要用到一個量子位元，這科技可以使傳送效率加倍。應(yīng)用量子隱形傳態(tài)應(yīng)用先前發(fā)送點與接收點分享的兩個量子糾纏子系統(tǒng)與一些經(jīng)典通訊技術(shù)來傳送量子態(tài)或量子信息（編碼為量子態(tài)）從發(fā)送點至相隔遙遠距離的接收點。量子算法（quantumalgorithm）的速度時常會勝過對應(yīng)的經(jīng)典算法很多。但是，在量子算法里，量子糾纏所扮演的角色，物理學(xué)者尚未達成共識。有些物理學(xué)者認為，量子糾纏對于量子算法的快速運算貢獻很大，但是，只倚賴量子糾纏并無法達成快速運算。應(yīng)用在量子計算機體系結(jié)構(gòu)里，量子糾纏扮演了很重要的角色。例如，在單路量子計算機（one-wayquantumcomputer）的方法里，必須先制備出一個