量子纠缠：鬼魅般的超距作用 | 量子世界地图

原创 TheQuantumAtlas 集智俱乐部

纠缠将两个或更多的量子粒子扭曲在一起，用一个纠缠在一起的整体取代了它们各自的身份。

导语

在惊奇的量子世界，没有什么比量子纠缠更诡秘。爱因斯坦称其为 “鬼魅般的超距作用”。2022年诺贝尔物理学奖即授予了量子纠缠的相关研究，表彰“用纠缠光子实验，验证量子力学违反贝尔不等式，开创了量子信息学科学”。

一百多年前，量子革命为我们带来了晶体管和激光，今天，基于量子信息的新技术正在让我们进入一个新的量子信息时代。但到底什么是量子？什么是不确定性原理？什么是量子纠缠？量子计算和量子通信可以做什么？量子的世界常常让人感觉古怪而神秘，为了帮助更多人领略量子世界的魅力，一个名为 The Quantum Atlas 的项目以图文并茂的方式，系统地介绍量子世界的基本概念。集智俱乐部对这些概念进行了翻译，分享给大家。

关键词：量子信息，量子纠缠

The Quantum Atlas | 来源

刘志航 | 译者

邓一雪 | 编辑

1. 什么是量子纠缠？

在量子物理学中，物体可以变得如此不可分割地交织在一起，以至于无法再把它们分开考虑。它们拥有一种新的集体身份，即使相隔万里，也能持续存在。两个或更多的物体以这种特殊的量子方式联系在一起，被称为纠缠——这是我们日常经验中没有的情况。

纠缠的物体有一种特殊的联系：当纠缠集合的一个成员被测量时，它的答案总是与集合中其他物体的答案紧密联系在一起。于是，科学家们把纠缠在一起的粒子共享的联系称为“量子纠缠”（Quantum Entanglement）。

单纯的相关性（correlation）本身并不特别。存在相关性的例子在我们周围的世界中比比皆是。例如，同一所大学的学生往往会有高度相关的位置——毕竟，他们大多数人都在校园里生活。一群随机的、与大学没有关系的人，不太可能聚集在同一个校园里。

纠缠的不同之处在于，它们比高度相关的学生表现出更强的相关性，表现出在量子领域之外不可能存在的亲缘关系。相关性有强弱之分，纠缠也是如此。

想象两个光子（photons）。光子可以携带不同数量的能量，对应于我们眼睛感知的不同颜色的光。你可以把光子想象成光点。

接下来，我们想象两个光子的颜色是纠缠的。在这种特殊情况下，纠缠可以归结为一个简单的规则：每个光子都有可能是蓝色或红色的，但是一旦被测量，它们总是不同的颜色。如果我们发现第一个光子是蓝色的，我们会立即知道第二个光子是红色的，反之亦然。

图：纠缠是一个规则，它支配着一个纠缠伴侣的测量值与另一个的测量值之间的关系

我们可以用一个实验来检验这一规则。准备一对纠缠在一起的两个光子，并测量其中一个，记录一个随机的结果，即蓝色或红色。如果我们再检查第二个光子的颜色，会发现它总是另一种颜色。这种完美的相关性在我们每次做实验时都会存在。

由于量子测量的工作原理，在我们进行测量之前，单个光子并不真正具有颜色。此外，由于光子是纠缠在一起的，它们不是独立的实体，而是一个单一量子整体的一部分。如果不考虑第二个光子的颜色，就没有办法完全描述第一个光子的颜色。测量之后，纠缠被破坏，我们只剩下两个光子，每个都有确定的颜色。

2. 鬼魅般的超距作用

纠缠享有奇怪的声誉至少因为两个原因。第一个是量子不确定性——事实上，在我们测量光子之前，它们没有明确定义的颜色。

第二是纠缠可以在很长的距离上持续存在。我们可以把这对纠缠在一起的光子发射到到银河系的两边，然后派宇航员去测量它们。当他们报告结果时，我们会看到同样的相关性，就好像光子就在地球上一样。即使信息无法在光子间传递，这些关联依然存在。

这些现象困扰着爱因斯坦，他认为量子物理学作为一种理论肯定是不完整的。他将纠缠称为 “鬼魅般的超距作用”（spooky action at a distance），并与其他一些物理学家一起，认为粒子必须携带额外的信息——“隐变量”（hidden variables）——才可以解释相关关系的存在。围绕这些观点的争论持续了几十年，直到科学家们想出实验来检验爱因斯坦的直觉。

20世纪60年代，物理学家约翰·贝尔设计了一种方法，用来判断量子纠缠是否像爱因斯坦想的那样，由隐变量理论支配。从那时起，许多物理学家团队进行了越来越复杂的实验，几乎排除了每个纠缠物体携带一些额外信息来解释其行为的可能性。正如上面的假想例子一样，这些测试通常包括测量两个纠缠光子属性的相关性。

虽然纠缠以不直观和诡秘著称，甚至在物理学家中也是如此，但它在各种应用和理论背景下都很有用。它是量子计算、精密计量学和量子密码学研究的主力，也是我们对最近发现的许多奇异物质的理解基础。它甚至可能是将广义相对论——目前最好的引力理论——与量子物理学统一起来的关键——这是理论物理学家近一个世纪以来的梦想。

原文链接：

https://quantumatlas.umd.edu/entry/entanglement/

量子力学作为现代物理学的两大核心理论之一，成功描述了微观物理体系的演化规律。量子概念的引入深刻地揭示了一系列与宏观体系截然不同的物理机制，在近年来逐渐发展出了包含量子通信、量子计算、量子模拟、量子测量等量子信息科学的全新研究领域和方向。

我们感受到以量子力学为基础的革命是颠覆性的，也将影响到未来的复杂性科学研究。集智社区中已经有一些从事量子相关研究工作的活跃社区成员，我们建立了一个集智的量子相关交流群，欢迎你加入交流。

原标题：《量子纠缠：鬼魅般的超距作用 | 量子世界地图》

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