在神奇的量子力學(xué)領(lǐng)域,量子糾纏是一種極為獨(dú)特且迷人的現(xiàn)象。當(dāng)幾個(gè)粒子彼此相互作用后,它們就如同被賦予了一種神秘的 “默契”,各個(gè)粒子所擁有的特性不再獨(dú)立存在,而是綜合成為了整體性質(zhì) ,此時(shí),我們無法再單獨(dú)去描述各個(gè)粒子的性質(zhì),只能對(duì)整體系統(tǒng)的性質(zhì)進(jìn)行刻畫,這便是量子糾纏。 量子糾纏是量子系統(tǒng)的專屬現(xiàn)象,在經(jīng)典力學(xué)的宏觀世界里,我們找不到與之類似的情況。 為了更好地理解,我們來看一個(gè)具體的例子。假設(shè)有一個(gè)零自旋粒子,它發(fā)生衰變,變成了兩個(gè)以相反方向移動(dòng)分離的粒子。當(dāng)我們沿著某特定方向,對(duì)其中一個(gè)粒子的自旋進(jìn)行測(cè)量時(shí),如果得到的結(jié)果是上旋,那么另一個(gè)粒子的自旋必定為下旋;反之,若測(cè)量結(jié)果為下旋,另一個(gè)粒子的自旋就必定是上旋。 這種奇妙的關(guān)聯(lián)現(xiàn)象,仿佛兩個(gè)粒子之間存在著一種超越距離和空間的 “心靈感應(yīng)” 。 更令人稱奇的是,當(dāng)我們沿著兩個(gè)不同方向分別測(cè)量這兩個(gè)粒子的自旋時(shí),結(jié)果會(huì)違反貝爾不等式。 而且,還會(huì)出現(xiàn)一種看似矛盾的現(xiàn)象:當(dāng)對(duì)其中一個(gè)粒子做測(cè)量時(shí),另外一個(gè)粒子似乎能瞬間知道測(cè)量動(dòng)作的發(fā)生與結(jié)果,即便兩個(gè)粒子相隔甚遠(yuǎn),并且我們尚未發(fā)現(xiàn)任何傳遞信息的機(jī)制 。這就好像兩個(gè)粒子之間存在著一種無形的、超越常規(guī)理解的聯(lián)系,完全打破了我們對(duì)經(jīng)典物理中信息傳遞和相互作用的認(rèn)知。 量子糾纏的發(fā)現(xiàn)歷程充滿了曲折與傳奇,它起源于愛因斯坦等人為了質(zhì)疑量子力學(xué)完備性而提出的思想實(shí)驗(yàn)。 1935 年,愛因斯坦(Albert Einstein)、博士后羅森(Nathan Rosen)、研究員波多爾斯基(Boris Podolsky)合作完成了一篇極具影響力的論文《物理實(shí)在的量子力學(xué)描述能否被認(rèn)為是完備的?》,并發(fā)表于 5 月份的《物理評(píng)論》。在這篇論文中,他們?cè)敿?xì)闡述了 EPR 佯謬 。 他們?cè)O(shè)想了一個(gè)由兩個(gè)粒子組成的量子系統(tǒng),這兩個(gè)粒子在相互作用后,彼此的狀態(tài)會(huì)緊密關(guān)聯(lián)。當(dāng)這兩個(gè)粒子被分離到很遠(yuǎn)的距離時(shí),對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量,似乎會(huì)瞬間影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài),這種超距作用與愛因斯坦所秉持的定域性原理相悖。 按照定域性原理,信息的傳遞速度不能超過光速,而量子糾纏所表現(xiàn)出的這種超距關(guān)聯(lián),仿佛打破了這一限制,這讓愛因斯坦難以接受,他認(rèn)為這意味著量子力學(xué)可能是不完備的,其中或許存在尚未被揭示的隱變量 。雖然他們提出這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)主要是為了論證量子力學(xué)的不完備性,但卻意外地開啟了人們對(duì)量子糾纏現(xiàn)象的深入探討 。 同年,薛定諤在閱讀完 EPR 論文后,深受啟發(fā),他用德文寫了一封信給愛因斯坦,在信中,他最先使用了術(shù)語 “Verschr?nkung”,并將其翻譯為 “糾纏”,用來形容在 EPR 思想實(shí)驗(yàn)里,兩個(gè)暫時(shí)耦合的粒子,即便不再耦合之后,彼此之間仍舊維持的那種神秘關(guān)聯(lián)。不久之后,薛定諤發(fā)表了一篇重要論文,正式對(duì) “量子糾纏” 這一術(shù)語給予了明確的定義,并深入研究探索了相關(guān)概念。 薛定諤深刻體會(huì)到這一概念的重要性,他指出量子糾纏不僅僅是量子力學(xué)的某個(gè)有趣性質(zhì),更是量子力學(xué)區(qū)別于經(jīng)典理論的特征性質(zhì),它在量子力學(xué)與經(jīng)典思路之間劃出了一道清晰的界限 。 然而,當(dāng)時(shí)的愛因斯坦和薛定諤都對(duì)量子糾纏的概念感到不滿意。愛因斯坦譏諷量子糾纏為 “鬼魅般的超距作用”,因?yàn)樗坪踹`反了相對(duì)論中對(duì)于信息傳遞所設(shè)定的速度極限;而薛定諤也認(rèn)為量子糾纏現(xiàn)象與我們?nèi)粘5闹庇X和經(jīng)典物理的觀念相沖突 。 EPR 論文的發(fā)表,引起了眾多物理學(xué)者的廣泛興趣,激發(fā)了他們對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)理論的深入思考。但在之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間里,物理學(xué)術(shù)界并沒有充分認(rèn)識(shí)到這一論題的重大意義,也沒有發(fā)現(xiàn) EPR 論文可能存在的重大瑕疵 。 直到 1964 年,約翰?貝爾(John Bell)提出了著名的貝爾不等式 。 貝爾假設(shè)存在局域隱變量理論,按照該理論,如果測(cè)量?jī)蓚€(gè)相隔遙遠(yuǎn)的粒子 A 和 B,它們的間隔除以測(cè)量花費(fèi)的時(shí)間大于光速,那么 A 和 B 之間不會(huì)發(fā)生任何聯(lián)系,它們的行為都是事先決定好的,應(yīng)該符合經(jīng)典的概率限制,基于此,他推導(dǎo)出了貝爾不等式 。 這個(gè)不等式的提出,為檢驗(yàn)量子力學(xué)與定域性隱變量理論提供了一個(gè)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)依據(jù) 。如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反貝爾不等式,那么就說明量子力學(xué)不能用定域性隱變量理論來解釋,量子糾纏的奇特現(xiàn)象是真實(shí)存在的 。 從 1972 年開始,科學(xué)家們陸續(xù)進(jìn)行了一系列檢試貝爾不等式的實(shí)驗(yàn) 。 1972 年,約翰?克勞澤(John Clauser)與史達(dá)特?弗利曼(Stuart Freedman)首先完成了這種檢試實(shí)驗(yàn);1982 年,阿蘭?阿斯佩(Alain Aspect)的博士論文就以這種檢試實(shí)驗(yàn)為題目 。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都符合量子力學(xué)的預(yù)測(cè),不符合定域性隱變量理論的預(yù)測(cè),這有力地證實(shí)了愛因斯坦的定域性隱變量理論不成立,為量子糾纏的存在提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù) 。 不過,早期的這些實(shí)驗(yàn)都存在一些漏洞,實(shí)驗(yàn)的正確性也因此遭到了一些質(zhì)疑 。為了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)仳?yàn)證量子糾纏,科學(xué)家們不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法,完成了更多精確的實(shí)驗(yàn) 。這些實(shí)驗(yàn)的成功,不僅進(jìn)一步鞏固了量子力學(xué)的地位,也讓量子糾纏從一個(gè)抽象的理論概念逐漸走向了實(shí)際應(yīng)用的舞臺(tái) 。 量子糾纏的原理與量子力學(xué)中的量子態(tài)疊加以及量子態(tài)塌縮密切相關(guān)。在量子力學(xué)的奇妙世界里,量子態(tài)疊加是一個(gè)基本且神奇的概念 。與我們?nèi)粘I钪惺挛锏拇_定性狀態(tài)不同,在微觀的量子系統(tǒng)中,一個(gè)粒子可以同時(shí)處于多種不同狀態(tài)的疊加態(tài)。 就好像一個(gè)微觀粒子可以同時(shí) “在這里” 和 “在那里”,或者同時(shí)具有不同的自旋方向等物理性質(zhì),直到我們對(duì)它進(jìn)行測(cè)量,它才會(huì) “選擇” 并呈現(xiàn)出一個(gè)確定的狀態(tài) 。這種疊加態(tài)的存在,使得量子系統(tǒng)具有了經(jīng)典系統(tǒng)無法比擬的獨(dú)特性質(zhì)和潛力 。 當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)量子系統(tǒng)相互作用時(shí),它們的疊加態(tài)就可能發(fā)生相互纏繞,從而形成量子糾纏 。這些糾纏在一起的粒子,它們的狀態(tài)被緊密地關(guān)聯(lián)在一起,形成了一個(gè)不可分割的整體 。 無論它們?cè)诳臻g上相隔多遠(yuǎn),哪怕是從宇宙的一端到另一端,對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量,使其量子態(tài)發(fā)生塌縮,確定為某一個(gè)特定狀態(tài)時(shí),另一個(gè)粒子的狀態(tài)也會(huì)瞬間發(fā)生相應(yīng)的變化 ,仿佛它們之間存在著一種超越時(shí)空的 “心靈感應(yīng)” 。這種變化是瞬間的,不受距離和時(shí)間的限制,完全違背了我們?cè)诮?jīng)典物理學(xué)中對(duì)信息傳遞和相互作用的認(rèn)知 。 以一對(duì)糾纏的光子為例,它們?cè)诋a(chǎn)生時(shí)就處于一種特殊的糾纏態(tài) 。 假設(shè)這對(duì)光子的偏振方向相互關(guān)聯(lián),當(dāng)我們測(cè)量其中一個(gè)光子的偏振方向時(shí),它會(huì)隨機(jī)地塌縮到某一個(gè)確定的偏振方向,比如水平偏振或垂直偏振 。與此同時(shí),另一個(gè)無論相距多遠(yuǎn)的光子,也會(huì)立即呈現(xiàn)出與之相對(duì)應(yīng)的偏振方向 。這種現(xiàn)象表明,這兩個(gè)光子之間存在著一種非局域的、超越時(shí)空的聯(lián)系,它們雖然在空間上是分離的,但在量子態(tài)上卻是一個(gè)不可分割的整體 。 從數(shù)學(xué)角度來看,量子糾纏態(tài)可以用復(fù)雜的波函數(shù)來描述 。這個(gè)波函數(shù)涵蓋了糾纏粒子之間的所有關(guān)聯(lián)信息,它是一個(gè)整體的數(shù)學(xué)表達(dá)式,無法被簡(jiǎn)單地拆分成單個(gè)粒子的波函數(shù) 。這意味著,我們不能將糾纏粒子看作是彼此獨(dú)立的個(gè)體,而必須從整體的角度來理解它們的行為和性質(zhì) 。通過對(duì)波函數(shù)的分析和計(jì)算,我們可以預(yù)測(cè)和解釋量子糾纏中各種奇特的現(xiàn)象,盡管這些現(xiàn)象在經(jīng)典物理學(xué)的框架下是難以理解的 。 量子糾纏最令人驚嘆的特性之一就是其非局域性,這意味著糾纏粒子之間的關(guān)聯(lián)似乎不受距離的限制 。無論它們相隔多遠(yuǎn),哪怕是橫跨整個(gè)宇宙,當(dāng)其中一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),另一個(gè)粒子會(huì)瞬間做出相應(yīng)的變化 ,這種影響是超距的,仿佛超越了空間的束縛 。 這種現(xiàn)象與我們?nèi)粘I钪械闹庇X和經(jīng)典物理學(xué)的觀念大相徑庭,在經(jīng)典物理學(xué)中,物體之間的相互作用通常需要通過某種媒介,并且受到光速的限制 ,信息的傳遞也不能瞬間完成 。而量子糾纏中的這種超距關(guān)聯(lián),讓我們感受到了微觀世界的神奇和奧秘 。 例如,在一些實(shí)驗(yàn)中,科學(xué)家們成功地實(shí)現(xiàn)了相距甚遠(yuǎn)的粒子之間的量子糾纏 。 像中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用 “墨子號(hào)” 量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星,在相距超過 1200 公里的地面站點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)了量子糾纏分發(fā) ,這一實(shí)驗(yàn)成果有力地證明了量子糾纏的非局域性在宏觀距離上的存在 。當(dāng)對(duì)其中一個(gè)地面站點(diǎn)的糾纏粒子進(jìn)行測(cè)量時(shí),另一個(gè)遙遠(yuǎn)站點(diǎn)的粒子狀態(tài)也會(huì)立即發(fā)生相應(yīng)的改變 ,而且這種改變是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了光在這段距離上傳播所需的時(shí)間 。然而,值得注意的是,雖然量子糾纏表現(xiàn)出了這種超距的特性,但它并不違反相對(duì)論 。 這是因?yàn)橄鄬?duì)論所限制的是信息的傳遞速度不能超過光速,而在量子糾纏中,我們無法利用這種超距關(guān)聯(lián)來傳遞有效的信息 。也就是說,我們不能通過對(duì)一個(gè)粒子的操作,來向另一個(gè)粒子發(fā)送特定的信息,因此它并沒有違背相對(duì)論中關(guān)于光速極限的規(guī)定 。 發(fā)生量子糾纏的粒子構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體,這是量子糾纏的另一個(gè)重要特性 。 我們不能將糾纏粒子看作是彼此獨(dú)立的個(gè)體,它們的性質(zhì)和狀態(tài)是相互關(guān)聯(lián)、相互依存的 。當(dāng)我們對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量時(shí),得到的結(jié)果不僅僅取決于這個(gè)粒子本身,還會(huì)同時(shí)影響到與之糾纏的其他粒子的狀態(tài) ,這表明這些粒子共享著同一個(gè)量子態(tài),形成了一個(gè)緊密相連的整體 。從數(shù)學(xué)描述的角度來看,量子糾纏態(tài)的波函數(shù)是一個(gè)整體,不能被分解為單個(gè)粒子的波函數(shù) 。 這意味著,我們?cè)诿枋黾m纏粒子的狀態(tài)時(shí),必須從整體的角度出發(fā),考慮它們之間的相互關(guān)系和協(xié)同作用 。 例如,對(duì)于一對(duì)糾纏的電子,它們的自旋方向是相互關(guān)聯(lián)的 。在未被測(cè)量之前,它們都處于自旋向上和自旋向下的疊加態(tài) ,但當(dāng)我們測(cè)量其中一個(gè)電子的自旋時(shí),它會(huì)隨機(jī)地塌縮到一個(gè)確定的自旋方向,比如自旋向上 ,與此同時(shí),另一個(gè)電子的自旋方向也會(huì)立即確定為自旋向下 ,仿佛它們之間存在著一種無形的 “默契” ,始終保持著整體的一致性 。 量子糾纏與經(jīng)典物理之間存在著巨大的差異,這些差異深刻地體現(xiàn)了微觀世界與宏觀世界截然不同的運(yùn)行規(guī)律 。在經(jīng)典物理學(xué)中,物體之間的相互作用遵循著明確的因果關(guān)系和局域性原理 。 兩個(gè)物體要發(fā)生相互作用,要么通過直接接觸,比如我們推動(dòng)一個(gè)物體,手與物體直接接觸施加力的作用;要么通過某種信號(hào)傳遞,而且這種信號(hào)的傳遞速度是有限的,不能超過光速 ,就像我們?cè)诘厍蛏习l(fā)出的無線電信號(hào),以光速傳播,需要一定時(shí)間才能到達(dá)太空中的衛(wèi)星 。物體的狀態(tài)是確定的,我們可以同時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量物體的位置和動(dòng)量等物理量 ,這是經(jīng)典物理的基本認(rèn)知 。 然而,量子糾纏的出現(xiàn),完全顛覆了我們基于經(jīng)典物理的傳統(tǒng)觀念 。首先,量子糾纏具有非局域性,這意味著糾纏粒子之間的關(guān)聯(lián)不受距離的限制 ,無論它們相隔多么遙遠(yuǎn),對(duì)其中一個(gè)粒子的測(cè)量都會(huì)瞬間影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài) ,這種影響是超距的,超越了經(jīng)典物理中信號(hào)傳遞的速度限制 。在經(jīng)典物理中,這種超距的、瞬間的相互作用是不可想象的 。 例如,在經(jīng)典力學(xué)里,我們無法想象一個(gè)物體在地球上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變,會(huì)瞬間導(dǎo)致遠(yuǎn)在太陽系邊緣的另一個(gè)物體狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化 。但在量子糾纏中,這種看似不可思議的現(xiàn)象卻真實(shí)存在 。 其次,量子糾纏中的粒子狀態(tài)是不確定的,直到我們對(duì)其進(jìn)行測(cè)量 。在測(cè)量之前,粒子處于一種量子態(tài)疊加的狀態(tài),它們可以同時(shí)具有多種可能的狀態(tài) ,這與經(jīng)典物理中物體狀態(tài)的確定性形成了鮮明對(duì)比 。 在經(jīng)典世界里,一個(gè)物體要么在這里,要么在那里,位置是確定的 ;而在量子世界中,一個(gè)粒子可以同時(shí)處于多個(gè)位置的疊加態(tài) ,就像一個(gè)微觀粒子可以同時(shí) “在這里” 和 “在那里” 。當(dāng)我們對(duì)糾纏粒子進(jìn)行測(cè)量時(shí),它們的量子態(tài)會(huì)瞬間塌縮,確定為一個(gè)具體的狀態(tài) ,但這種塌縮是隨機(jī)的,我們無法預(yù)先準(zhǔn)確預(yù)測(cè)測(cè)量結(jié)果 ,這也與經(jīng)典物理中測(cè)量的確定性和可預(yù)測(cè)性不同 。 再者,量子糾纏的整體性也是經(jīng)典物理所沒有的 。在量子糾纏中,發(fā)生糾纏的粒子構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體,我們不能將它們看作是彼此獨(dú)立的個(gè)體 。它們的性質(zhì)和狀態(tài)是相互關(guān)聯(lián)、相互依存的,共享著同一個(gè)量子態(tài) 。而在經(jīng)典物理中,物體之間雖然也存在相互作用,但它們各自具有獨(dú)立的物理性質(zhì),我們可以分別對(duì)它們進(jìn)行描述和研究 。例如,在研究?jī)蓚€(gè)宏觀物體的運(yùn)動(dòng)時(shí),我們可以分別分析它們的位置、速度、加速度等物理量,而不需要考慮它們之間存在像量子糾纏那樣的緊密關(guān)聯(lián) 。 量子通信是量子糾纏應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域,其中量子密鑰分發(fā)(QKD)和量子隱形傳態(tài)是兩個(gè)關(guān)鍵的應(yīng)用方向 。量子密鑰分發(fā)利用糾纏粒子對(duì)的 “不可分割性” 來保障通信的絕對(duì)安全 。在量子密鑰分發(fā)過程中,發(fā)送方(Alice)和接收方(Bob)共享一對(duì)糾纏光子 。 當(dāng)?shù)谌剑‥ve)試圖竊聽光子狀態(tài)時(shí),根據(jù)量子力學(xué)的基本原理,這種竊聽行為會(huì)不可避免地破壞糾纏態(tài) 。一旦糾纏態(tài)被破壞,Alice 和 Bob 通過特定的檢測(cè)手段就能立即發(fā)現(xiàn)異常,從而實(shí)時(shí)察覺竊聽行為 。 例如,2016 年中國(guó)發(fā)射的 “墨子號(hào)” 衛(wèi)星,成功實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的量子密鑰分發(fā) ,驗(yàn)證了星地間糾纏光子的分發(fā)與通信 ,為未來構(gòu)建 “量子互聯(lián)網(wǎng)” 奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。這種基于量子糾纏的密鑰分發(fā)方式,理論上可抵御任何形式的暴力破解,包括未來可能出現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)攻擊 ,因?yàn)楦`聽行為會(huì)直接改變量子態(tài),不像經(jīng)典加密那樣依賴計(jì)算復(fù)雜度 。 量子隱形傳態(tài)則是通過糾纏對(duì)將一個(gè)粒子的量子態(tài)(如自旋、偏振等)“轉(zhuǎn)移” 到遠(yuǎn)距離的另一個(gè)粒子上 。需要注意的是,這里傳輸?shù)牟⒎俏镔|(zhì)本身,而是量子態(tài)信息 ,并且在這個(gè)過程中,原粒子的狀態(tài)會(huì)被破壞,這符合量子不可克隆定理 。 量子隱形傳態(tài)在未來的量子網(wǎng)絡(luò)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值,可用于高效傳輸量子信息 ,是構(gòu)建分布式量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一 。例如,美國(guó)西北大學(xué)的研究人員通過普通光纜,成功將量子態(tài)隱形傳輸了 30 公里 ,這一成果為量子通信與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)光纜相結(jié)合帶來了新的可能 ,大大簡(jiǎn)化了分布式量子傳感或計(jì)算應(yīng)用所需的基礎(chǔ)設(shè)施 。 在量子計(jì)算領(lǐng)域,量子糾纏同樣發(fā)揮著不可或缺的作用 。 量子比特(qubit)是量子計(jì)算的基本單元,它與經(jīng)典比特不同,具有獨(dú)特的量子特性 。量子比特可通過糾纏實(shí)現(xiàn) “量子疊加態(tài)” ,例如,2 個(gè)糾纏量子比特可同時(shí)表示 00、01、10、11 四種狀態(tài),3 個(gè)則表示 8 種狀態(tài),隨著量子比特?cái)?shù)量的增加,其可表示的狀態(tài)數(shù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng) 。 這種量子疊加態(tài)賦予了量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的并行計(jì)算能力 ,使得它能夠在同一時(shí)間處理多個(gè)計(jì)算路徑,從而大幅提升計(jì)算速度 。例如,2019 年谷歌的 Sycamore 量子處理器利用 53 個(gè)糾纏量子比特,在特定任務(wù)上比超級(jí)計(jì)算機(jī)快 1 億倍 ,盡管目前仍處于 “量子霸權(quán)” 演示階段,但這已經(jīng)充分展示了量子計(jì)算的巨大潛力 。 量子糾纏還使得量子算法能夠更高效地解決復(fù)雜的優(yōu)化問題 。以肖爾算法和格羅弗算法為例,肖爾算法能夠高效地分解大數(shù),這對(duì)于破解傳統(tǒng)的 RSA 加密算法具有重要意義;格羅弗算法則可用于搜索數(shù)據(jù)庫(kù),大大提高了搜索效率 。這些任務(wù)對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言,可能需要數(shù)萬年的時(shí)間才能完成,但量子計(jì)算機(jī)借助量子糾纏和量子疊加的特性,可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)突破 。 |
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