第25章 量子糾纏(3 / 5)

特性,可以同時處理大量的資訊,解決傳統計算機難以應對的複雜問題。例如,它可以在短時間內破解目前最複雜的加密系統,也可以模擬複雜的分子結構,幫助科學家開發新的藥物。中國科學家對量子糾纏速度的測量,為量子計算的發展奠定了堅實的基礎,讓我們對未來的科技發展充滿了期待。

五、量子糾纏的實驗驗證

(一)量子擦除實驗

量子擦除實驗是一種干涉儀實驗,能夠演示量子糾纏、量子互補等基本理論。在量子力學裡,它有著重要的地位。

實驗步驟:

照射光子束於雙縫干涉儀,然後確認在探測屏出現了干涉圖樣。

觀察光子透過的是哪條狹縫,在觀察時需小心翼翼不過度攪擾光子的運動,此時,探測屏的干涉圖樣被消毀。這是因為干涉圖樣是由於 “路徑資訊” 的存在而被消毀。

透過特別程式,可以將路徑資訊擦除,且能重新得到干涉圖樣。另外,不論擦除過程的完成時間是在光子被探測之前或之後,都會重新得到干涉圖樣。

意義:在干涉儀實驗中,干涉圖樣的可視性與路徑資訊是兩個互補變數,根據互補原理,越能分辨路徑資訊,則干涉圖樣可視性越低;假若干涉圖樣可視性越高,則越無法分辨路徑資訊。量子擦除實驗展示了量子世界中這種奇妙的互補關係,同時也進一步加深了我們對量子糾纏和量子互補的理解。它為量子力學的研究提供了新的實驗方法和思路,有助於我們更深入地探索量子世界的奧秘。

(二)利用光學系統製備和檢測糾纏光子對

利用光學系統製備糾纏光子對是一種常見且重要的方法。

原理:首先,需要一個光源,比如鐳射器,發出一束單色的強光。然後,將這束光照射到一個特殊的晶體上,比如 β - 鋇硼酸鹽(bbo)晶體。這種晶體具有非線性光學效應,可以將一束高能量的入射光轉化為兩束低能量的出射光。這個過程叫做自發參量下轉換(spdc),是一種量子過程。在這個過程中,入射光中的一個光子會被分解為兩個能量相等的出射光子,這兩個出射光子就是我們要製備的糾纏光子對。這兩個出射光子之間存在著一種關聯或者約束,使得它們的偏振方向總是相互補償或者相反。

檢測和驗證方法:我們需要用到偏振片和光電探測器來進行測量。偏振片是一種可以改變或者篩選光波偏振方向的器件。我們將兩個偏振片分別放在兩個出射光子的路徑上,並且調整它們的角度。然後,將兩個光電探測器分別放在兩個偏振片的後面,用來記錄每個出射光子是否透過偏振片並且到達探測器。透過這樣的設定,我們就可以對兩個出射光子的偏振狀態進行測量,並且比較它們之間的關係。如果我們重複這樣的測量多次,並且改變偏振片的角度,我們就可以得到一組資料,用來表示兩個出射光子的偏振相關性。這種相關性可以用一個數學公式來描述,叫做貝爾不等式。如果兩個物理系統違反貝爾不等式,那麼它們就是非經典的,也就是說它們之間存在糾纏。透過對糾纏光子對的測量資料進行分析,我們可以發現它們違反了貝爾不等式,這就證明了它們之間存在著量子糾纏。

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六、量子糾纏的應用前景

(一)量子計算

量子糾纏在量子計算中具有至關重要的作用。量子位元可以透過量子糾纏實現相互作用,從而進行復雜的計算操作。與經典計算機相比,量子計算機利用量子糾纏能夠同時處理大量的資訊,極大地提高計算速度和效率。例如,在解決質因數分解問題上,經典計算機可能需要耗費大量的時間和資源,而量子計算機藉助量子糾纏可以在較短的時間內完成。像著名的 shor 演算法就是利用量子糾纏的特性,能夠快速

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