相信很多人都聽說過量子糾纏，堪稱量子世界最詭異的現(xiàn)象，甚至沒有之一，也是這個世界上最奇妙的事情。事實上量子糾纏也很美，而且，越了解量子糾纏，就會發(fā)現(xiàn)它越美。
那么，什么是量子糾纏呢？
物理學(xué)是這樣定義的：當多個粒子發(fā)生作用之后，單個粒子擁有的特性會綜合成為整體屬性，于是就無法描述單個粒子的性質(zhì)，只能描述整體性質(zhì)。
量子糾纏現(xiàn)象只會發(fā)生在量子世界里，在宏觀世界是沒有這種現(xiàn)象的。
如果我們測量糾纏中粒子的某些物理屬性，比如說動量，位置，自旋等，其他粒子就會出現(xiàn)關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。
舉個例子，我們假設(shè)一個零自旋的粒子，衰變?yōu)閮蓚€粒子，這兩個粒子以相反方向移動分離。如果我們測量其中一個粒子，發(fā)現(xiàn)自旋方向為上旋，那么另一個粒子的自旋方向必定是下旋。反之亦然。
還有一點，還會出現(xiàn)看似矛盾的現(xiàn)象：當我們測量其中一個粒子時，另一個粒子好像早就知道了我們要測量，并且知道測量結(jié)果，瞬間做出相應(yīng)的改變來呼應(yīng)測量的粒子?？茖W(xué)家并沒有發(fā)現(xiàn)任何信息傳遞的機制，而且不管兩個粒子相距多遠，哪怕數(shù)光年之外，也能瞬間感應(yīng)到對方。
如何理解量子糾纏這種看似不合理的現(xiàn)象呢？首先我們需要明白幾點。
第一，量子糾纏只會發(fā)生在量子世界，在我們的宏觀世界里是不會出現(xiàn)的。起碼目前科學(xué)家們并沒有在宏觀世界里發(fā)現(xiàn)量子糾纏現(xiàn)象。
第二，量子糾纏必須發(fā)生在兩個或兩個以上的量子系統(tǒng)里，系統(tǒng)就代表著整體，也就是說，我們只要談到量子糾纏，一定是一個整體。
第三，就是很多人關(guān)心的距離問題。理論上量子糾纏的距離不受限制，也就是說可以很遠很遠。但實際上很難做到這點，因為糾纏中的粒子受到任何形式的擾動，都會讓糾纏態(tài)消失，而擾動本身就相當于觀察。而宇宙中充滿了各種物質(zhì)和能量，它們都可能會“觀測”糾纏中的粒子。
科學(xué)家們曾經(jīng)做過很多量子糾纏的實驗。比如說，我國著名科學(xué)家潘建偉，早在2005年就帶領(lǐng)團隊做過量子糾纏實驗，實驗地點是合肥，在相距13公里的自由空間里驗證了量子糾纏的可行性。
2007年，清華大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合進行了自由空間量子信道實驗，長度達到了16公里。而兩年后的2009年，終于實現(xiàn)了世界最遠距離的量子隱形態(tài)傳輸。同時也驗證了這種隱形態(tài)傳輸可以穿越大氣層，這個發(fā)現(xiàn)為未來的全球化量子通信網(wǎng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。
研究成果發(fā)表在著名雜志《自然》上，引起了很大關(guān)注。
不過，從實驗結(jié)果來看，量子隱形態(tài)傳輸?shù)木嚯x要求是很高的，現(xiàn)實中很難實現(xiàn)遠距離傳輸，從實驗的距離13公里和16公里就能看出來。現(xiàn)實中要讓兩個相距數(shù)光年遠的粒子發(fā)生糾纏，幾乎不可能。
只有排除所有的干擾，才能讓相距很遠的粒子發(fā)生糾纏，否則任何干擾都會讓量子糾纏太解除，而現(xiàn)實中我們根本無法排除所有的干擾。
所以，量子糾纏發(fā)生的系統(tǒng)其實會受到很大限制，不是隨便就能出現(xiàn)量子糾纏。比如說，你我兩人分別拿一個手電筒，打開手電筒之后，光子之前就相互糾纏了，這種想法太簡單了，是不可能的。
不過，隨著人類科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家已經(jīng)能讓距離更遠的粒子仍然保持糾纏狀態(tài)。比如說，在2017年，我國的墨子號量子實驗衛(wèi)星首次做到了這一點：把糾纏中的光子分發(fā)到相距1200公里之后，仍能保持量子糾纏的狀態(tài)。
看到這里，你可能有很多疑問：相距1200公里也能保持量子糾纏狀態(tài)，是不是表明光子超光速了，難道相對論錯了嗎？該如何理解量子糾纏中的“超光速”現(xiàn)象呢？
還有，基于量子糾纏而創(chuàng)建的量子密碼學(xué)為什么會如此安全，到底是如何運作的呢？
首先，量子糾纏看起來好像是超光速了，但其實并不是真正意義上的超光速，并沒有違反相對論，因為量子糾纏過程中并沒有傳遞任何信息。
可以這么通俗理解量子糾纏：糾纏中的粒子表現(xiàn)出來的是整體性質(zhì)，也就是說它們是在一個波函數(shù)下的狀態(tài)，而理論上波函數(shù)可以覆蓋任何地方，甚至是全宇宙，如此一來就和距離沒有關(guān)系了。
用一種宏觀現(xiàn)象去理解量子糾纏的狀態(tài)，就是“蹺蹺板”。比如說，你和我一起玩蹺蹺板，當我們兩人坐在蹺蹺板上時，就有了“糾纏”的關(guān)聯(lián)狀態(tài)。你向下，我必然就會向上，反之亦然。
你我之間的作用是超距或者說是超光速完成的嗎？并不是，因為你和我已經(jīng)屬于一個整體，與我們之間的距離無關(guān)。
還有一個很關(guān)鍵的問題：量子糾纏的本質(zhì)到底是什么，也就是說，量子之間為什么會發(fā)生糾纏？
開頭也說了，量子糾纏描述的是一個系統(tǒng)的整體屬性，整體系統(tǒng)是由幾個糾纏中的子系統(tǒng)組成的，整體系統(tǒng)具有某些物理性質(zhì)，而子系統(tǒng)并不能私自擁有這種物理性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)。
也就是說，整體性質(zhì)具有“不可分性”。這種不可分性與空間無關(guān)，于是我們就能將幾個子系統(tǒng)分開，相距很遠也能體現(xiàn)出糾纏的特性。
這就像剛才所說的“蹺蹺板”，蹺蹺板就是一個整體系統(tǒng)，我們只能描述蹺蹺板的整體系統(tǒng)，蹺蹺板上的你和我不管相距多遠，都有關(guān)聯(lián)性，你和我都不能擁有自己獨立的物理屬性。
那么，量子糾纏的系統(tǒng)到底是什么呢？應(yīng)該是一種場，準確來講，是電磁場，這也是量子糾纏的機制。
宇宙中充滿了各種場，比如說電磁場，而場的運動就可以形成波，比如說，光是一種電磁波，也可以認為是運動的電磁場，受到擾動的電磁場。
而理論上，場的輻射范圍是無限遠的，這也表明糾纏中的粒子即便距離無限遠，也會表現(xiàn)出糾纏態(tài)。但現(xiàn)實中很難做到這一點，因為場的強度與距離息息相關(guān)嗎，距離越遠場的強度越弱。
加上量子糾纏機制本身就很敏感，隨著場強度的變?nèi)酰m纏中的粒子就更容易受到干擾，從而讓糾纏態(tài)解除。
總之，還是那句話，糾纏中的粒子是用一個波函數(shù)描述的，糾纏中的兩個或多個粒子是一個整體，我們測量糾纏中的粒子時，它們不能同時處于同一種狀態(tài)，所以會出現(xiàn)比如說一個自旋向上，一個自旋向下的情況。
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