原創 TheQuantumAtlas 集智俱樂部

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

導語

在驚奇的量子世界，沒有什么比量子糾纏更詭秘。愛因斯坦稱其為 “鬼魅般的超距作用”。2022年諾貝爾物理學獎即授予了量子糾纏的相關研究，表彰“用糾纏光子實驗，驗證量子力學違反貝爾不等式，開創了量子信息學科學”。

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

關鍵詞：量子信息，量子糾纏

The Quantum Atlas | 來源

劉志航 | 譯者

鄧一雪 | 編輯

1. 什么是量子糾纏？

在量子物理學中，物體可以變得如此不可分割地交織在一起，以至于無法再把它們分開考慮。它們擁有一種新的集體身份，即使相隔萬里，也能持續存在。兩個或更多的物體以這種特殊的量子方式聯系在一起，被稱為糾纏——這是我們日常經驗中沒有的情況。

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

單純的相關性（correlation）本身并不特別。存在相關性的例子在我們周圍的世界中比比皆是。例如，同一所大學的學生往往會有高度相關的位置——畢竟，他們大多數人都在校園里生活。一群隨機的、與大學沒有關系的人，不太可能聚集在同一個校園里。

糾纏的不同之處在于，它們比高度相關的學生表現出更強的相關性，表現出在量子領域之外不可能存在的親緣關系。相關性有強弱之分，糾纏也是如此。

想象兩個光子（photons）。光子可以攜帶不同數量的能量，對應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。

接下來，我們想象兩個光子的顏色是糾纏的。在這種特殊情況下，糾纏可以歸結為一個簡單的規則：每個光子都有可能是藍色或紅色的，但是一旦被測量，它們總是不同的顏色。如果我們發現第一個光子是藍色的，我們會立即知道第二個光子是紅色的，反之亦然。

圖：糾纏是一個規則，它支配著一個糾纏伴侶的測量值與另一個的測量值之間的關系

我們可以用一個實驗來檢驗這一規則。準備一對糾纏在一起的兩個光子，并測量其中一個，記錄一個隨機的結果，即藍色或紅色。如果我們再檢查第二個光子的顏色，會發現它總是另一種顏色。這種完美的相關性在我們每次做實驗時都會存在。

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

2. 鬼魅般的超距作用

糾纏享有奇怪的聲譽至少因為兩個原因。第一個是量子不確定性——事實上，在我們測量光子之前，它們沒有明確定義的顏色。

第二是糾纏可以在很長的距離上持續存在。我們可以把這對糾纏在一起的光子發射到到銀河系的兩邊，然后派宇航員去測量它們。當他們報告結果時，我們會看到同樣的相關性，就好像光子就在地球上一樣。即使信息無法在光子間傳遞，這些關聯依然存在。

這些現象困擾著愛因斯坦，他認為量子物理學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家一起，認為粒子必須攜帶額外的信息——“隱變量”（hidden variables）——才可以解釋相關關系的存在。圍繞這些觀點的爭論持續了幾十年，直到科學家們想出實驗來檢驗愛因斯坦的直覺。

20世紀60年代，物理學家約翰·貝爾設計了一種方法，用來判斷量子糾纏是否像愛因斯坦想的那樣，由隱變量理論支配。從那時起，許多物理學家團隊進行了越來越復雜的實驗，幾乎排除了每個糾纏物體攜帶一些額外信息來解釋其行為的可能性。正如上面的假想例子一樣，這些測試通常包括測量兩個糾纏光子屬性的相關性。

雖然糾纏以不直觀和詭秘著稱，甚至在物理學家中也是如此，但它在各種應用和理論背景下都很有用。它是量子計算、精密計量學和量子密碼學研究的主力，也是我們對最近發現的許多奇異物質的理解基礎。它甚至可能是將廣義相對論——目前最好的引力理論——與量子物理學統一起來的關鍵——這是理論物理學家近一個世紀以來的夢想。

原文鏈接：

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

量子力學作為現代物理學的兩大核心理論之一，成功描述了微觀物理體系的演化規律。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制，在近年來逐漸發展出了包含量子通信、量子計算、量子模擬、量子測量等量子信息科學的全新研究領域和方向。

我們感受到以量子力學為基礎的革命是顛覆性的，也將影響到未來的復雜性科學研究。集智社區中已經有一些從事量子相關研究工作的活躍社區成員，我們建立了一個集智的量子相關交流群，歡迎你加入交流。

原標題：《量子糾纏：鬼魅般的超距作用 | 量子世界地圖》

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