宋圭武猜想（82）量子纠缠是由于物体维度变化所致

Posted 2023-04-23

参考技术A 所谓维度，即物体在空间中的展开。比如，直线是一维，平面是二维，空间是三维等等。一般而言，人类所认识或直接可以感知的维度，主要有一维、二维、三维等。笔者认为，随着物体所占空间的变化，物体的维度也在变化。物体越来越小，其维度也会越来越小；物体越来越大，维度也会越来越大。

产生维度变化的主要原因是分形，即宇宙的变化遵循分形规律，也即物体在变大的过程中，具有自相似的性质。

由于物体在变小的过程中，维度也变小。比如，从三维变为二维，由于空间压缩，原来在三维空间的一条直线，可能在二维空间变成一个点。在这种情况下，就产生量子纠缠。因为在原来是直线的情况下，互动是有距离的，互动必然需要一个时间过程，但在一个点的情况下，互动是即刻产生，基本是没有时间过程的，而且越是小的粒子，产生量子纠缠的速度会越快。当粒子无限小时，产生量子纠缠的速度无限大。

总之，宇宙也是一个维度变化体。越小的物体，维度也越小。当物体趋向于无限小时，维度也趋于无限小。这种状况的极限状态就是“无”。宇宙就是从这种“无”的状态中产生的。对于无限大的宇宙空间，维度也会变大。随着宇宙的无限变大，维度也变无限大。

另外，物体的速度变快，物体的维度也会变小。这里物体的速度与维度具有反比特征。即，物体速度变快时，物体维度会变小，物体速度越快，维度越小；或者，维度越小的世界，速度越快。量子纠缠就是如此，因为量子在维度小的世界里。

我们也可以把生命的生长过程，看成是一个维度变大的过程。按照爱因斯坦相对论，当物体速度变大时，时间变慢，其实，应是，当物体的速度变大时，维度会变小，这里维度变小，主要体现为生长速度变小，或者也可以说是生长时间变慢。

宇宙的一头是维度为零的世界，另一头是维度为无限大的世界，两个世界的结合点可能就是宇宙大爆炸点。

在物体的运动速度足够快时，也可能会产生类似量子纠缠的现象。

总之，人类的知识体系，大体在三维框架里，这只会反映宇宙规律的近似情况。要全面认识宇宙，需要建立一个综合所有维度的逻辑体系，要把维度变化考虑到逻辑方程里。但这是一件很难的事情。人类只能按一个维度构建逻辑体系。要么一维，要么二维，要么三维，等等。

宋圭武2022年2月6日星期日写于兰州

附录：什么是分形

什么是分形？分形，具有以非整数维形式充填空间的形态特征。通常被定义为“一个粗糙或零碎的几何形状，可以分成数个部分，且每一部分都(至少近似地)是整体缩小后的形状”，即具有自相似的性质。分形(Fractal)一词，是芒德勃罗创造出来的，其原意具有不规则、支离破碎等意义。1973年，芒德勃罗(B.B.Mandelbrot)在法兰西学院讲课时，首次提出了分维和分形的设想。

分形是一个数学术语，也是一套以分形特征为研究主题的数学理论。分形理论既是非线性科学的前沿和重要分支，又是一门新兴的横断学科，是研究一类现象特征的新的数学分科，相对于其几何形态，它与微分方程与动力系统理论的联系更为显著。分形的自相似特征可以是统计自相似，构成分形也不限于几何形式，时间过程也可以，故而与鞅论关系密切。

上世纪80年代初开始的“分形热”经久不息。分形作为一种新的概念和方法，正在许多领域开展应用 探索 。美国物理学大师约翰·惠勒说过:今后谁不熟悉分形，谁就不能被称为科学上的文化人。由此可见分形的重要性。

中国著名学者周海中教授认为:分形几何不仅展示了数学之美，也揭示了世界的本质，还改变了人们理解自然奥秘的方式;可以说分形几何是真正描述大自然的几何学，对它的研究也极大地拓展了人类的认知疆域。

分形几何学作为当今世界十分风靡和活跃的新理论、新学科，它的出现，使人们重新审视这个世界：世界是非线性的，分形无处不在。分形几何学不仅让人们感悟到科学与艺术的融合，数学与艺术审美的统一，而且还有其深刻的科学方法论意义。

什么是量子纠缠？量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象。即使相距遥远距离，一个粒子的行为将会影响另一个的状态 。当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化 。

在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。

爱因斯坦将量子纠缠称为“鬼魅似的远距作用(神鬼级的远距离相互操作作用)”

量子纠缠buff加持，雷达精度提高500倍，论文已登物理顶刊

行早 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

“量子纠缠雷达”，听起来是不是像民科？

其实这可是物理学家正经研究的黑科技，还发表在了物理学顶刊PRL（物理评论快报）上。

论文里说，这种雷达的精度可达普通雷达的500倍。

△图注：雷达概念图

等一下，量子纠缠和雷达，这俩是怎么凑到一块去的？

简单来说就是，量子纠缠可以弥补传统雷达信号衰减太快的缺点。

传统雷达在发射信号和接收信号这两个过程中，信号强度都随距离的二次方衰减。

合在一起就导致雷达信号随距离的四次方衰减，也就是说，如果想把接收信号强度增强两倍，需要把辐射强度提高16倍！

这种程度的衰减是什么概念呢？我们来看一组数据就知道了：

假如一个信号发射器功率为1kW，加上增益为10的天线，去探测5公里外一个1平米的物体时，收到的反射信号只有几纳瓦。

而像我们平时用的手机，在满格信号的时候都有0.1W的辐射功率，是上述例子中接收到信号强度的一亿倍。

于是，为了拯救这种程度的衰减，研究人员开始想办法：方向无非是两种，要么增强辐射，要么优化接收。

如果选前者，实在太不划算，根据雷达信号的四次方衰减，要想把接收信号强度增强两倍，需要把辐射强度提高16倍。

因此，研究人员把目光放在接收的过程上。

这时候，量子纠缠登场了。

量子纠缠如何提高精度

量子纠缠是量子力学中独有的一种现象，指的是微观粒子在一些物理性质上会有关联，天生就是配对的。

举个栗子，有一副正常的手套分装在两个盒子里，一定会有一只左手和一只右手。当确定其中一个的时候，另一个也随之确定，无论这两个盒子距离有多远。

△图注：量子纠缠想象图

像这样有某种暗戳戳的联系的两个微观粒子就处于纠缠态。

于是，研究人员想：如果我们生成一些相互纠缠的光子，然后只发射一半，等到信号被反射回来时，再用剩下的一半做对比。

△图注：a _S和a _I相互纠缠，一个用于发射，一个用于检测

无论信号怎么衰减，这些孪生光子都可以轻松配对，岂不是可以大大提高雷达精度？

计算结果也确实如其所料。

Quntao Zhuang和Jeffrey推导出，量子雷达的均方距离延迟精度要比传统的雷达高几十个分贝。

除了理论推理，研究人员还用无人机来实际检测了一下量子雷达精度。在100m远处检测无人机的情境下，量子雷达比传统雷达的精度高了60倍。

两者的对比可以直观得从下图中看出，其中横轴代表信噪比，纵轴代表均方距离延迟精度（越低越好），红线为量子雷达的表现：

从图中大体可以看出，量子雷达在全部信噪比区间都比传统雷达要好。

在信噪比较高（达到15-20分贝）时，量子雷达（红线）比传统雷达（蓝线和青线）有小幅精确度优势。

在较低信噪比情况下优势更为明显，例如信噪比在5-10分贝之间时，量子雷达的精度大约是传统雷达的500倍。

作者简介

这项工作的研究人员是庄群涛和Jeffrey H. Shapiro。

庄群涛在2013年毕业于北京大学，2018年拿到麻省理工的物理学博士学位，目前在亚利桑那大学任助理教授。

而Jeffrey H. Shapiro是麻省理工电子研究实验室前主任，也是麻省理工光学和量子通信组主任。

参考链接：

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.010501
[2]https://arstechnica.com/science/2022/01/entangled-microwave-photons-may-give-500x-boost-to-radar/
[3https://www.technologyreview.com/2019/08/23/75512/quantum-radar-has-been-demonstrated-for-the-first-time/