如何将一个光子，切成两个形成纠缠态 将一个光子“切成两个”形成纠缠态，这个说法在通俗语境中听起来像是科幻，但从量子光学的角度来看，它其实描述的是一个真实存在的物理过程——自发参量下转换（Spontaneous Parametric Down-Conversion, SPDC）。这个过程可以将一个高能光子（通常是紫外或可见光）转换为两个低能光子（通常是近红外或可见光），这两个光子处于量子纠缠态。 下面我们来详细解释这个过程： 1. 什么是自发参量下转换（SPDC）？ SPDC 是一种非线性光学过程，发生在非线性晶体中（如 BBO、KDP、LiNbO₃ 等）。当一个高能量的泵浦光子（pump photon）进入这种晶体时，有一定概率在晶体内部与晶格相互作用，分裂成两个能量较低的光子： 一个称为信号光子（signal photon） 一个称为闲频光子（idler photon） 根据能量和动量守恒： 能量守恒： \( \omega_p = \omega_s + \omega_i \) （泵浦光子频率 = 信号光子频率 + 闲频光子频率） 动量守恒（相位匹配条件）： \( \vec{k}_p = \vec{k}_s + \vec{k}_i \) （泵浦光子波矢 = 信号 + 闲频波矢） 由于这个过程是“自发”的（由真空涨落触发），无法预测具体何时发生，也无法精确预测两个子光子的方向和偏振，但它们是量子关联的。 2. 如何产生纠缠态？ 通过精心设计实验条件，可以使这两个下转换光子在某些自由度上处于纠缠态。常见的纠缠类型包括： （1）偏振纠缠 使用 Type-II 或 Type-I SPDC 晶体，配合双折射补偿或双晶体结构，可以产生如下形式的偏振纠缠态： \[ |\psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \left( |H\rangle_s |V\rangle_i + e^{i\phi} |V\rangle_s |H\rangle_i \right) \] 其中： \( H \)：水平偏振 \( V \)：垂直偏振 \( s \) 和 \( i \)：信号和闲频光子 这个态表示：如果你测量信号光子是 H，那么闲频光子一定是 V，反之亦然，但在测量前两者都处于叠加态。 ...

纠缠和非纠缠态的期望值E(a,b) 我们计算期望值 \( E(a, b) \)，其中 \( a \) 和 \( b \) 是两个偏振片的角度。 期望值定义为： \[ E(a, b) = P_{++} + P_{–} - P_{+-} - P_{-+} \] 即同时透射或同时反射的概率减去结果不同的概率。 情况1：纠缠光子对（贝尔态 \( |\Psi^-\rangle \)） 从之前结果： \[ \begin{aligned} P_{++}(\theta_a, \theta_b) &= \frac{1}{2} \sin^2(\theta_b - \theta_a) \\ P_{+-}(\theta_a, \theta_b) &= \frac{1}{2} \cos^2(\theta_a - \theta_b) \\ P_{-+}(\theta_a, \theta_b) &= \frac{1}{2} \cos^2(\theta_a - \theta_b) \\ P_{–}(\theta_a, \theta_b) &= \frac{1}{2} \sin^2(\theta_b - \theta_a) \end{aligned} \] 代入： \[ \begin{aligned} E(a, b) &= P_{++} + P_{–} - P_{+-} - P_{-+} \\ &= \frac{1}{2} \sin^2(\theta_b - \theta_a) + \frac{1}{2} \sin^2(\theta_b - \theta_a) - \frac{1}{2} \cos^2(\theta_a - \theta_b) - \frac{1}{2} \cos^2(\theta_a - \theta_b) \\ &= \sin^2(\theta_b - \theta_a) - \cos^2(\theta_a - \theta_b) \end{aligned} \] 利用三角恒等式： \[ \sin^2 x - \cos^2 x = -\cos(2x) \] 且 \(\cos(\theta_a - \theta_b) = \cos(\theta_b - \theta_a)\)，所以： \[ E(a, b) = -\cos[2(\theta_b - \theta_a)] = -\cos[2(\theta_a - \theta_b)] \] 因此： \[ \boxed{E(a, b) = -\cos[2(\theta_a - \theta_b)]} \] 这就是著名的量子力学相关函数。 ...

参考： 贝尔不等式 纠缠和非纠缠光子 贝尔不等式的详细推导过程 好的，我们来详细推导贝尔不等式（特指CHSH不等式，这是最著名和实验上最常用的一种形式）。这个推导旨在说明，任何遵循定域性和实在性（即“局域实在论”）的隐变量理论，其预测结果都必须满足一个特定的数学约束。而量子力学则可以违反这个约束。 1. 思想实验场景 想象一个源同时向两个相反的方向发射两个纠缠粒子（例如，光子），分别飞向两个观察者：Alice (A) 和 Bob (B)。 Alice 可以选择两个方向（设置 a 或 a'）来测量她的粒子，测量结果记为 A。A 的取值只能是 +1 或 -1。 Bob 同样可以选择两个方向（设置 b 或 b'）来测量他的粒子，测量结果记为 B。B 的取值也只能是 +1 或 -1。 关键假设：两个测量事件是类空间隔的，即一个测量完成时，另一个测量的信息还无法以光速传递过来。这就保证了定域性——Alice的测量选择不会瞬间影响Bob的结果，反之亦然。 实在性假设：我们假设粒子的行为在测量之前就具有确定的属性（由隐变量 λ 决定），测量只是揭示这个预先存在的属性，而不是创造它。 2. 引入隐变量 根据局域实在论，测量结果 A 和 B 是由两个因素共同决定的： 各自的测量设置（a, a', b, b'）。 一个共同的“隐变量” λ。这个 λ 在粒子对产生时就被确定了，并随着粒子一起传播。它代表了任何我们尚未知晓的、决定粒子行为的物理参数。 因此，我们可以将测量结果写为函数形式： Alice 的结果： A(a, λ) 或 A(a', λ)，其值为 ±1 Bob 的结果： B(b, λ) 或 B(b', λ)，其值为 ±1 λ 有一个概率分布函数 ρ(λ)，满足 ∫ ρ(λ) dλ = 1。 ...

现在的实验是怎么证明贝尔不等式的 好的，这是一个非常深刻且重要的问题。现代实验证明贝尔不等式（Bell’s Theorem）的过程是物理学史上最精妙的实验之一。我会用相对易懂的方式解释其核心思想、关键技术和几个里程碑式的实验。 首先，快速回顾：贝尔不等式是什么？ 简单来说，贝尔不等式是物理学家约翰·贝尔在1964年提出的一个数学不等式。它提供了一个判据，可以用来在局域实在论（Local Realism）和量子力学之间做出裁决。 局域实在论：这是经典物理世界的观念。 实在性：物理对象在未被测量之前就拥有确定的属性（例如，一个电子在测量之前就有确定的“自旋”）。 局域性：信息的传递不能超过光速。一个地方发生的事件不能瞬间影响远处的事件。 量子纠缠：量子力学预言，两个纠缠的粒子（如光子）无论相距多远，其状态都是关联的。测量其中一个，另一个的状态会瞬间确定，这种关联性超越了经典物理的解释。 贝尔证明：任何基于局域实在论的隐藏变量理论，其预测都必须遵守贝尔不等式。而量子力学的预测则会违反这个不等式。 因此，检验贝尔不等式是否成立，就相当于在检验“局域实在论”这个经典世界观是否正确。 现代实验如何证明（违反）贝尔不等式？ 实验的核心思路是：制备大量纠缠粒子对，将它们分开并送到两个遥远的测量端（通常命名为Alice和Bob），然后让两边随机选择不同的测量方向进行测量，最后统计所有测量结果的相关性，并计算这个相关性是否违反了贝尔不等式。 实验的关键要素和技术挑战： 制备纠缠源：实验的核心是稳定地产生大量处于纠缠态的粒子对（通常是光子）。最常见的是利用自发参量下转换（SPDC）技术，一束激光打到特殊的非线性晶体上，有概率会分裂成两个能量减半、偏振态纠缠的光子。 随机测量选择：为了堵住“局域性漏洞”，Alice和Bob选择测量基（即测量方向）的过程必须是真正随机的，并且要在粒子飞行途中、尚未被测量之前完成。这样，粒子就无法“预先知道”自己将被如何测量。现代实验使用高速量子随机数发生器来实现这一点。 空间分离：两个测量端必须足够远，以确保在测量完成时，另一边无法以光速传递任何信息过来。这堵住了“通讯漏洞”。 高效探测：需要极高效率的单光子探测器，尽可能捕捉到每一个光子，以避免“探测效率漏洞”（如果探测器效率太低，可能会选择性遗漏某些事件，从而伪造出违反不等式的假象）。 里程碑式的实验： 早期实验（1970s-1980s）： 代表：Alain Aspect等人的实验（1982年）。 方法：他们首次在实验上清晰地观察到了贝尔不等式的违反，结果支持量子力学。 局限性：当时的随机数发生器速度不够快，测量方向的选择可能并非完全与光子的飞行无关（存在“局域性漏洞”）。探测器效率也不高（存在“探测效率漏洞”）。 ** closing the loopholes （堵住漏洞）的实验（2015-2017）**： 这是现代实验的巅峰，有几个团队几乎同时宣布完成了“无漏洞”的贝尔测试。 荷兰代尔夫特理工大学（2015）： 方法：他们使用了钻石中的电子自旋作为纠缠粒子，而非光子。两个实验节点相距1.3公里。 堵住的漏洞： 局域性漏洞：使用了距离和高速随机测量。 探测效率漏洞：因为探测的是电子自旋，其探测效率接近100%，远高于光子探测器。 结果：以极高的置信度违反了贝尔不等式。 美国NIST/德国慕尼黑大学等（2015）： 方法：仍然使用光子，但采用了当时最先进的高效超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。 堵住的漏洞：极高的探测器效率（>90%）堵住了“探测效率漏洞”。 结果：同样实现了无漏洞的违反。 “大贝尔实验”（The Big Bell Test, 2016）： 一个非常有趣的项目：为了确保随机性不可预测，他们通过网络向全球公众征集随机数。超过10万名志愿者在电脑游戏上产生的随机比特被实时用于分布在世界各地的12个实验室的贝尔实验。 目的：用人类的“自由意志”来保证随机性，堵住所谓的“自由选择漏洞”。 结果：所有实验都再次确认了贝尔不等式的违反。 宇宙学尺度的实验： 甚至有实验尝试用遥远恒星发出的光作为随机数源。因为星光是在几百年前发出的，它绝对无法与今天实验室里的粒子“串通”，从而以最诗意的方式彻底堵死了局域性漏洞。 结论与意义 现代一系列精密的、“无漏洞”的贝尔不等式实验已经给出了极其明确和决定性的结论： 贝尔不等式被违反了。自然界的行为不符合局域实在论的经典预期。量子力学是正确的，量子纠缠的非局域性是真实存在的物理现象。 这意味着： 宇宙不是“局域”的：存在某种超越空间的、瞬时的关联（尽管这种关联无法用来传递有效信息，不违反相对论）。 宇宙不是“实在”的：在测量之前，粒子的属性（如自旋）并没有确定的值，它的状态是概率性的，测量行为本身参与了物理实在的创造。 这些实验不仅巩固了量子力学的基石，也为未来的量子技术，如量子通信、量子密码学和量子计算，提供了最根本的科学依据。 具体实验方法，包括采集了什么数据，怎么做的计算 好的，我们来深入探讨一下具体实验方法，包括数据采集和计算过程。我们将以最经典的、使用光子偏振纠缠的贝尔不等式检验实验为例。 实验核心：CHSH不等式 大多数现代实验测试的是贝尔不等式的一种更实用、更常见的形式——CHSH不等式（由Clauser, Horne, Shimony, Holt四人提出）。 CHSH不等式形式： 对于任何局域实在论理论，以下不等式必须成立： | S | = | E(a, b) − E(a, b′) + E(a′, b) + E(a′, b′) | ≤ 2 ...

根据前面快子的内容狭义相对论的特殊情况-快子: 我们来逐步分析和解释给定的内容，确保逻辑清晰和物理正确。 给定内容分析： 在 \( t’ = 0 \) 时： \( x = \gamma (x’ + v t’) = \gamma x’ \) （因为 \( t’ = 0 \)） 由时空间隔不变性： \( (ct)^2 - x^2 = (ct’)^2 - x’^2 \) 代入 \( t’ = 0 \)，得 \( (ct)^2 - x^2 = 0 - x’^2 = -x’^2 \) 又由 \( x = \gamma x’ \)，所以 \( x’ = x / \gamma \)，代入得： \( (ct)^2 - x^2 = - (x / \gamma)^2 \) 整理： \( (ct)^2 = x^2 - (x / \gamma)^2 = x^2 \left(1 - 1/\gamma^2\right) = x^2 (v^2/c^2) \) （因为 \( 1 - 1/\gamma^2 = v^2/c^2 \)） 所以 \( ct = (v/c) x \)，即 \( t = \frac{v}{c^2} x \) 另外，从洛伦兹变换： \( t = \gamma \left( t’ + \frac{v x’}{c^2} \right) = \gamma \frac{v x’}{c^2} = \gamma \frac{v}{c^2} \cdot \frac{x}{\gamma} = \frac{v x}{c^2} \) （一致） 解释部分： ...

能量量子化的原因， 是因为在一个禁锢系统中动量守恒的缘故。 对自由粒子，任意时刻的动量是守恒的 对旋转系统，角动量\(mvr\)是守恒的，或者说动量在一周的长度上的总和\(mv2\pi r\)是守恒的 对禁锢的粒子，动量在禁锢的空间内的总和是守恒的， 也就是\(\langle xp \rangle\)或\(\langle r p_r \rangle\)的定态波函数时的期望值是守恒的，是\(\frac{i\hbar}{2}\) 在经典禁锢系统下，我们也可以求出 \(\int_0^\infty x \frac{dp}{dx} \ dx\)的值也是守恒的，等价于\(\frac{h}{2}\) 当然能量量子化的根本原因，在于固定空间长度L内波数是有限的：\(L=n\lambda\)，又\(\lambda=h/mv\)，有\(v=nh/mL\)，速度的量子化导致了能量的量子化。 波函数的本质 薛定谔方程，本质上是一个经典的亥姆霍兹方程，只是是\(E<V\)情况下的解， 也就是\(\omega^2<0\)或\(k^2<0\)时的解， 此时的解是一个衰减或增长解，一般取衰减解，以便在端点处有限 同时在0点处也是可积的，或自身有限的，以消除0点无穷大的问题 它可以得到一个收敛的的势能V修正函数，修正了势能函数外部边界无穷大，或0点无穷大的问题 根据前面的动量空间内守恒，说明波函数不是概率分布，而是动能的分布，因为\(\langle r p_r \rangle\)或\(\langle x p \rangle\)的期望值是\(\frac{ih}{2}\)，即： \(\langle x p \rangle = \int_{-\infty}^{\infty} \psi_n(x) \cdot (x \hat{p} \psi_n(x)) dx =-i\hbar \int_{-\infty}^{\infty} \psi_n(x) \cdot x \frac{d\psi_n}{dx} dx=\frac{i\hbar}{2}\) 对经典一维谐振子，我们也可以得出： \(\int_{-A}^{A} \left| x \frac{dp}{dx} \right| dx = \dfrac{\pi}{2} m\omega A^2 =\dfrac{\pi E}{\omega} = \dfrac{\pi \hbar \omega}{\omega}=\dfrac{h}{2}\) 除以\(2 \pi\)就是\(\dfrac{\hbar}{2}\) ...

说一下目前量子纠缠的所有相关现实，包括实验和结论 === Qwen3: 量子纠缠是量子力学中最奇特且最深刻的现象之一，近年来在理论和实验上都取得了巨大进展。以下是目前关于量子纠缠的主要现实情况，包括实验验证、技术应用、理论结论以及开放问题的总结： 一、什么是量子纠缠？ 量子纠缠是指两个或多个粒子在某种方式下相互作用后，其量子态无法被单独描述，只能作为一个整体来描述。即使这些粒子相隔很远，对其中一个的测量会瞬间影响另一个的状态（尽管不能用于超光速通信）。 例如：一对纠缠光子A和B，若A被测量为“水平偏振”，则B会立即坍缩为“垂直偏振”（或反之，取决于纠缠方式），无论它们相距多远。 二、关键实验验证 1. 贝尔不等式实验（Bell Test Experiments） 理论基础：约翰·贝尔（John Bell）在1964年提出贝尔不等式，用于检验是否存在“局域隐变量理论”可以解释量子现象。 实验突破： 1970s–1980s：阿兰·阿斯佩克特（Alain Aspect）等人首次实现贝尔实验，结果违背贝尔不等式，支持量子力学。 1998年：安东·蔡林格（Anton Zeilinger）团队在因斯布鲁克实现更严格的贝尔实验。 2015年：“无漏洞贝尔实验”（loophole-free Bell tests）由多个团队（如荷兰代尔夫特理工大学、NIST、慕尼黑团队）独立完成。 关闭了三大漏洞： 局域性漏洞（Locality loophole）：测量事件类空间隔，防止光速通信。 探测效率漏洞（Detection loophole）：高探测效率确保统计代表性。 自由选择漏洞（Freedom-of-choice loophole）：使用随机数生成器（甚至宇宙随机源，如遥远星体光）确保测量设置不可预测。 ✅ 结论：局域实在论（local realism）被实验排除，量子纠缠是非局域性的，符合量子力学预测。 2. 远距离纠缠分发 2017年：中国“墨子号”量子卫星实现： 地面到卫星的纠缠光子分发，距离达1200公里。 验证了纠缠在大气层和自由空间中仍可保持。 地面光纤实验：纠缠光子在光纤中传输超过100公里（如在城市间）。 ✅ 意义：为全球量子通信网络（量子互联网）奠定基础。 3. 多粒子纠缠 实验已实现： 4个、8个、10个甚至超过50个离子或光子的纠缠态（如中国科大潘建伟团队、奥地利蔡林格团队、美国NIST等）。 GHZ态、W态、簇态（cluster states）等复杂纠缠结构被制备。 ✅ 应用：多体纠缠是量子计算和量子精密测量的核心资源。 4. 纠缠与引力/时空的探索 实验尝试将纠缠与广义相对论结合： 2020年，有实验尝试测量引力是否会导致量子退相干。 “量子-引力纠缠”设想：两个质量体通过引力相互作用是否能产生纠缠？——2023年多个理论和初步实验提案（如用超导量子系统或悬浮纳米粒子）正在推进。 ⚠️ 尚未证实，但这是量子引力研究的前沿。 三、理论结论与共识 ✅ 量子纠缠是真实存在的物理现象，已被无数实验反复验证。 ✅ 非局域性：纠缠表现出非局域关联，但不违反狭义相对论，因为无法用于超光速传递信息（无信号定理）。 ✅ 纠缠是量子优势的来源： 量子计算（如Shor算法、Grover搜索）依赖纠缠。 量子通信（如量子密钥分发QKD）利用纠缠实现无条件安全。 量子精密测量（如量子雷达、量子陀螺仪）利用纠缠提升灵敏度。 ✅ 纠缠可以被量化：存在纠缠熵、纠缠纯度、concurrence、负性（negativity）等度量方式。 ✅ 纠缠会退相干：环境干扰（噪声、温度）会导致纠缠迅速消失，这是量子技术的主要挑战。 四、现实应用（已实现或接近实用） 应用领域 现状 量子密钥分发（QKD） 商用化（如ID Quantique、中科大“京沪干线”），基于纠缠或单光子。 量子通信网络 多个城市试点（中国、欧洲、美国），构建“量子互联网”原型。 量子计算 超导、离子阱、光量子等平台利用纠缠实现量子门操作（如Google、IBM、IonQ）。 量子传感与成像 利用纠缠光子提升分辨率（如量子雷达、生物成像），处于实验室到原型阶段。 五、未解问题与前沿探索 纠缠与时空结构的关系： ...

前面我们通过推迟势的分析，得到了如下变换： \( x=x’+vt’ \) \( t=t’+vx’/c^2\) 通过上面两个公式，可以反推出： \( x’ =\gamma^2 (x-vt)\) \( t’ =\gamma^2 (t-vx/c^2)\) 同时波动方程变换满足： \( \frac{\partial^2 E}{\partial t^2} +c^2 \frac{\partial^2 E}{\partial x^2} =\gamma^2(\frac{\partial^2 E}{\partial t’^2} +c^2 \frac{\partial^2 E}{\partial x’^2})\) 如果我们将x’和t’的变换中的\(\gamma^2\)转移一个\(\gamma\)到x的变换上，则会变成更加协调的洛伦兹变换： \( x=\gamma(x’+vt’) \) \( t=\gamma(t’+vx’/c^2)\) \( x’ =\gamma (x-vt)\) \( t’ =\gamma (t-vx/c^2)\) 这说明，在一维情况下，也可以推导出洛伦兹变换，是因为推迟势导致发射和接收者时间不一致的缘故

薛定谔方程氢原子解\psi_100，验证不确定性原来 我们来讨论氢原子基态波函数 \(\psi_{100}\)（即 \(n=1, l=0, m=0\) 的态），并验证其满足海森堡不确定性原理。 一、氢原子基态波函数 \(\psi_{100}\) 氢原子的薛定谔方程在球坐标下可分离变量，其基态波函数（归一化的）为： \[ \psi_{100}(r) = \frac{1}{\sqrt{\pi a_0^3}} e^{-r/a_0} \] 其中： \(r\) 是电子到原子核（质子）的距离， \(a_0\) 是玻尔半径，\(a_0 = \frac{4\pi \varepsilon_0 \hbar^2}{m_e e^2} \approx 5.29 \times 10^{-11} , \text{m}\)。 这是一个球对称的函数，只依赖于 \(r\)。 二、不确定性原理回顾 海森堡不确定性原理指出，对任意量子态，位置和动量的不确定度满足： \[ \Delta x \cdot \Delta p_x \geq \frac{\hbar}{2} \] 同理对 \(y, z\) 方向也成立。我们通常考虑三个方向的总不确定性，但这里我们验证一个方向（如 \(x\)）的不确定性乘积。 更一般地，我们可以计算： \[ \Delta x = \sqrt{\langle x^2 \rangle - \langle x \rangle^2}, \quad \Delta p_x = \sqrt{\langle p_x^2 \rangle - \langle p_x \rangle^2} \] ...

辐射在推迟势中脱离电荷的原因 动量与辐射的关系 相对论中动量守恒与辐射、磁场的关系 氢原子中的动量和能量守恒、辐射，与推迟势、相对论动量能量守恒关系式的关系