原創(chuàng) TheQuantumAtlas 集智俱樂(lè)部

糾纏將兩個(gè)或更多的量子粒子扭曲在一起，用一個(gè)糾纏在一起的整體取代了它們各自的身份。

導(dǎo)語(yǔ)

在驚奇的量子世界，沒(méi)有什么比量子糾纏更詭秘。愛(ài)因斯坦稱其為 “鬼魅般的超距作用”。2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)即授予了量子糾纏的相關(guān)研究，表彰“用糾纏光子實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證量子力學(xué)違反貝爾不等式，開(kāi)創(chuàng)了量子信息學(xué)科學(xué)”。

一百多年前，量子革命為我們帶來(lái)了晶體管和激光，今天，基于量子信息的新技術(shù)正在讓我們進(jìn)入一個(gè)新的量子信息時(shí)代。但到底什么是量子？什么是不確定性原理？什么是量子糾纏？量子計(jì)算和量子通信可以做什么？量子的世界常常讓人感覺(jué)古怪而神秘，為了幫助更多人領(lǐng)略量子世界的魅力，一個(gè)名為 The Quantum Atlas 的項(xiàng)目以圖文并茂的方式，系統(tǒng)地介紹量子世界的基本概念。集智俱樂(lè)部對(duì)這些概念進(jìn)行了翻譯，分享給大家。

關(guān)鍵詞：量子信息，量子糾纏

The Quantum Atlas | 來(lái)源

劉志航 | 譯者

鄧一雪 | 編輯

1. 什么是量子糾纏？

在量子物理學(xué)中，物體可以變得如此不可分割地交織在一起，以至于無(wú)法再把它們分開(kāi)考慮。它們擁有一種新的集體身份，即使相隔萬(wàn)里，也能持續(xù)存在。兩個(gè)或更多的物體以這種特殊的量子方式聯(lián)系在一起，被稱為糾纏——這是我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)中沒(méi)有的情況。

糾纏的物體有一種特殊的聯(lián)系：當(dāng)糾纏集合的一個(gè)成員被測(cè)量時(shí)，它的答案總是與集合中其他物體的答案緊密聯(lián)系在一起。于是，科學(xué)家們把糾纏在一起的粒子共享的聯(lián)系稱為“量子糾纏”（Quantum Entanglement）。

單純的相關(guān)性（correlation）本身并不特別。存在相關(guān)性的例子在我們周?chē)氖澜缰斜缺冉允?。例如，同一所大學(xué)的學(xué)生往往會(huì)有高度相關(guān)的位置——畢竟，他們大多數(shù)人都在校園里生活。一群隨機(jī)的、與大學(xué)沒(méi)有關(guān)系的人，不太可能聚集在同一個(gè)校園里。

糾纏的不同之處在于，它們比高度相關(guān)的學(xué)生表現(xiàn)出更強(qiáng)的相關(guān)性，表現(xiàn)出在量子領(lǐng)域之外不可能存在的親緣關(guān)系。相關(guān)性有強(qiáng)弱之分，糾纏也是如此。

想象兩個(gè)光子（photons）。光子可以攜帶不同數(shù)量的能量，對(duì)應(yīng)于我們眼睛感知的不同顏色的光。你可以把光子想象成光點(diǎn)。

接下來(lái)，我們想象兩個(gè)光子的顏色是糾纏的。在這種特殊情況下，糾纏可以歸結(jié)為一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)則：每個(gè)光子都有可能是藍(lán)色或紅色的，但是一旦被測(cè)量，它們總是不同的顏色。如果我們發(fā)現(xiàn)第一個(gè)光子是藍(lán)色的，我們會(huì)立即知道第二個(gè)光子是紅色的，反之亦然。

圖：糾纏是一個(gè)規(guī)則，它支配著一個(gè)糾纏伴侶的測(cè)量值與另一個(gè)的測(cè)量值之間的關(guān)系

我們可以用一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)這一規(guī)則。準(zhǔn)備一對(duì)糾纏在一起的兩個(gè)光子，并測(cè)量其中一個(gè)，記錄一個(gè)隨機(jī)的結(jié)果，即藍(lán)色或紅色。如果我們?cè)贆z查第二個(gè)光子的顏色，會(huì)發(fā)現(xiàn)它總是另一種顏色。這種完美的相關(guān)性在我們每次做實(shí)驗(yàn)時(shí)都會(huì)存在。

由于量子測(cè)量的工作原理，在我們進(jìn)行測(cè)量之前，單個(gè)光子并不真正具有顏色。此外，由于光子是糾纏在一起的，它們不是獨(dú)立的實(shí)體，而是一個(gè)單一量子整體的一部分。如果不考慮第二個(gè)光子的顏色，就沒(méi)有辦法完全描述第一個(gè)光子的顏色。測(cè)量之后，糾纏被破壞，我們只剩下兩個(gè)光子，每個(gè)都有確定的顏色。

2. 鬼魅般的超距作用

糾纏享有奇怪的聲譽(yù)至少因?yàn)閮蓚€(gè)原因。第一個(gè)是量子不確定性——事實(shí)上，在我們測(cè)量光子之前，它們沒(méi)有明確定義的顏色。

第二是糾纏可以在很長(zhǎng)的距離上持續(xù)存在。我們可以把這對(duì)糾纏在一起的光子發(fā)射到到銀河系的兩邊，然后派宇航員去測(cè)量它們。當(dāng)他們報(bào)告結(jié)果時(shí)，我們會(huì)看到同樣的相關(guān)性，就好像光子就在地球上一樣。即使信息無(wú)法在光子間傳遞，這些關(guān)聯(lián)依然存在。

這些現(xiàn)象困擾著愛(ài)因斯坦，他認(rèn)為量子物理學(xué)作為一種理論肯定是不完整的。他將糾纏稱為 “鬼魅般的超距作用”（spooky action at a distance），并與其他一些物理學(xué)家一起，認(rèn)為粒子必須攜帶額外的信息——“隱變量”（hidden variables）——才可以解釋相關(guān)關(guān)系的存在。圍繞這些觀點(diǎn)的爭(zhēng)論持續(xù)了幾十年，直到科學(xué)家們想出實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)愛(ài)因斯坦的直覺(jué)。

20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家約翰·貝爾設(shè)計(jì)了一種方法，用來(lái)判斷量子糾纏是否像愛(ài)因斯坦想的那樣，由隱變量理論支配。從那時(shí)起，許多物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了越來(lái)越復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，幾乎排除了每個(gè)糾纏物體攜帶一些額外信息來(lái)解釋其行為的可能性。正如上面的假想例子一樣，這些測(cè)試通常包括測(cè)量?jī)蓚€(gè)糾纏光子屬性的相關(guān)性。

雖然糾纏以不直觀和詭秘著稱，甚至在物理學(xué)家中也是如此，但它在各種應(yīng)用和理論背景下都很有用。它是量子計(jì)算、精密計(jì)量學(xué)和量子密碼學(xué)研究的主力，也是我們對(duì)最近發(fā)現(xiàn)的許多奇異物質(zhì)的理解基礎(chǔ)。它甚至可能是將廣義相對(duì)論——目前最好的引力理論——與量子物理學(xué)統(tǒng)一起來(lái)的關(guān)鍵——這是理論物理學(xué)家近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)的夢(mèng)想。

原文鏈接：

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

量子力學(xué)作為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大核心理論之一，成功描述了微觀物理體系的演化規(guī)律。量子概念的引入深刻地揭示了一系列與宏觀體系截然不同的物理機(jī)制，在近年來(lái)逐漸發(fā)展出了包含量子通信、量子計(jì)算、量子模擬、量子測(cè)量等量子信息科學(xué)的全新研究領(lǐng)域和方向。

我們感受到以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的革命是顛覆性的，也將影響到未來(lái)的復(fù)雜性科學(xué)研究。集智社區(qū)中已經(jīng)有一些從事量子相關(guān)研究工作的活躍社區(qū)成員，我們建立了一個(gè)集智的量子相關(guān)交流群，歡迎你加入交流。

原標(biāo)題：《量子糾纏：鬼魅般的超距作用 | 量子世界地圖》

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