量子纠缠,就是两个粒子形成纠缠态后,就成了有这特殊关联的一对粒子。
有两个特性,拿偏振来说,
一个是它们物理量的相关性,比如两个偏振不确定的光子,测试其中一个,测出自偏振后,那另一个的偏振肯定和第一个垂直,不管两个光子的初始状态怎么样
一个是叠加态,就是在对两个粒子进行测量前,粒子的纠缠状态是未知的,粒子偏振方向是随机的(对自旋既向上又向下的说法持保留意见)。
现在我们用光子通过偏振片来说明它和非纠缠粒子的差别,
根据马吕斯定律,光子通过偏振片后的概率是\(cos^2\theta\),其中\(\theta\)是偏振片与光子偏振方向的夹角。
在两个光子处于纠缠状态下,测量两个光子通过偏振片的概率
先测量第一个光子,测量一次,概率是未知的,但测量多次的概率,通过与不通过的概率应该是各趋于1/2的,就和扔硬币一样,
这个也可以通过积分得到,
一次通过的概率为\(cos^2\theta\), 对所有\(\theta\)积分,也就是从0到\(2\pi\),取平均值,就是再除以\(2\pi\),
\(\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi} \cos^2\theta\ d\theta= \frac{1}{2\pi}\cdot \pi= \frac{1}{2}\)
那么第二个粒子通过的概率是多少呢?
如果第二个粒子和第一个粒子的测量完全无关,也就是不处于纠缠态,那同样可以想到第二个粒子的通过和不通过概率也都是各1/2。
所以,非纠缠态下,两个粒子同时通过偏振片的总体统计概率为1/2*1/2=1/4
但在纠缠态下是完全不一样的,看下图:
上面的图片表示,
假设测量第一个光子,偏振片方向为a,与x轴的夹角为\(\alpha\),
测量第二个光子,偏振片方向为b,与x轴的夹角为\(\beta\),
那么在测量第一个光子,光子通过偏振片后,光子的偏振方向为a,
再测量第二个光子,第二个光子的偏振方向必须是b’,也就是垂直于a,
这就是纠缠的缘故,
所以,你测量第二个光子,使用方向b测量,与x轴夹角为\(\beta\)时,
测得的第二个光子的通过率,与b与偏振方向b’的夹角相关,是:
\(\cos^2(\angle bb’)=cos^2(90^\circ-\angle ab)\)
\(=\sin^2(\angle ab)=\sin^2(\beta-\alpha)\)
所以,纠缠态下, 两个粒子同时通过偏振片的概率是\(\frac{1}{2}sin^2(\beta-\alpha)\)
这就是贝尔不等式中的\(P_{++}\)
这其中诡异的是,
假设两个纠缠光子未测量前始终不垂直,那么在测量一个后,另外一个马上变成和第一个偏振方向垂直。
即使两个纠缠光子测量前偏振始终保持垂直,那么在偏振片的测量方向不是第一个光子的偏振方向时,夹角为a的话,第一个光子测量后如果通过偏振片,其偏振方向马上偏转角度a变成和偏振片相同,而同时第二个光子的偏振方向也会马上偏转角度a再次变成和第一个光子垂直。
第二个光子的变化似乎是和测量第一个光子同时发生的,和后面对它测量的时间无关
我们这里并没有使用光子测量前,偏振方向同时有两个不确定方向组成的情况,而是采用了光子只有一个偏振方向,是随机的(也就是没有对应薛定谔的猫既活又死,而是对应一种要么死要么活的随机状态)。