物理學(xué)概念
布賴恩·克萊格所著作品
量子糾纏（quantum entanglement），又譯量子纏結(jié)，是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，是指當(dāng)幾個(gè)粒子在彼此相互作用后，由于各個(gè)粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質(zhì)，無(wú)法單獨(dú)描述各個(gè)粒子的性質(zhì)，只能描述整體系統(tǒng)的性質(zhì)的現(xiàn)象。量子糾纏是一種純粹發(fā)生于量子系統(tǒng)的現(xiàn)象；在經(jīng)典力學(xué)里，找不到類似的現(xiàn)象。[1]
假設(shè)一個(gè)零自旋中性π介子衰變成一個(gè)電子與一個(gè)正電子。這兩個(gè)衰變產(chǎn)物各自朝著相反方向移動(dòng)。電子移動(dòng)到區(qū)域A，在那里的觀察者“愛麗絲”會(huì)觀測(cè)電子沿著某特定軸向的自旋；正電子移動(dòng)到區(qū)域B，在那里的觀察者“鮑勃”也會(huì)觀測(cè)正電子沿著同樣軸向的自旋。在測(cè)量之前，這兩個(gè)糾纏粒子共同形成了零自旋的“糾纏態(tài)”
其中，
在圓括弧內(nèi)的第一項(xiàng)表明，電子的自旋為上旋當(dāng)且僅當(dāng)正電子的自旋為下旋；第二項(xiàng)表明，電子的自旋為下旋當(dāng)且僅當(dāng)正電子的自旋為上旋。兩種狀況疊加在一起，每一種狀況都有可能發(fā)生，不能確定到底哪種狀況會(huì)發(fā)生，因此，電子與正電子糾纏在一起，形成糾纏態(tài)。假若不做測(cè)量，則無(wú)法知道這兩個(gè)粒子中任何一個(gè)粒子的自旋，根據(jù)哥本哈根詮釋，這性質(zhì)并不存在。這單態(tài)的兩個(gè)粒子相互反關(guān)聯(lián)，對(duì)于兩個(gè)粒子的自旋分別做測(cè)量，假若電子的自旋為上旋，則正電子的自旋為下旋，反之亦然；假若電子的自旋下旋，則正電子自旋為上旋，反之亦然。量子力學(xué)不能預(yù)測(cè)到底是哪一組數(shù)值，但是量子力學(xué)可以預(yù)言，獲得任何一組數(shù)值的概率為50%。
粒子沿著不同軸向的自旋彼此之間是不相容可觀察量，對(duì)于這些不相容可觀察量作測(cè)量必定不能同時(shí)得到明確結(jié)果，這是量子力學(xué)的一個(gè)基礎(chǔ)理論。在經(jīng)典力學(xué)里，這基礎(chǔ)理論毫無(wú)意義，理論而言，任何粒子性質(zhì)都可以被測(cè)量至任意準(zhǔn)確度。貝爾定理意味著一個(gè)事實(shí)，一個(gè)已被實(shí)驗(yàn)檢試的事實(shí)，即對(duì)兩個(gè)不相容可觀察量做測(cè)量得到的結(jié)果不遵守貝爾不等式。因此，基礎(chǔ)而言，量子糾纏是個(gè)非經(jīng)典現(xiàn)象。[3]
不確定性原理的維持必須倚賴量子糾纏機(jī)制。例如，設(shè)想先前的一個(gè)零自旋中性π介子衰變案例，兩個(gè)衰變產(chǎn)物各自朝著相反方向移動(dòng)，分別測(cè)量電子的位置與正電子的動(dòng)量，假若量子糾纏機(jī)制不存在，則可借著守恒定律預(yù)測(cè)兩個(gè)粒子各自的位置與動(dòng)量，這違反了不確定性原理。由于量子糾纏機(jī)制，粒子的位置與動(dòng)量遵守不確定性原理。
從以相對(duì)論性速度移動(dòng)的兩個(gè)參考系分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)糾纏粒子的物理性質(zhì)，盡管在每一個(gè)參考系，測(cè)量?jī)蓚€(gè)粒子的時(shí)間順序不同，獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍舊違反貝爾不等式，仍舊能夠可靠地復(fù)制出兩個(gè)糾纏粒子的量子關(guān)聯(lián)。
1935年，在普林斯頓高等研究院，愛因斯坦、博士后羅森、研究員波多爾斯基合作完成論文《物理實(shí)在的量子力學(xué)描述能否被認(rèn)為是完備的？》，并且將這篇論文發(fā)表于5月份的《物理評(píng)論》。這是最早探討量子力學(xué)理論對(duì)于強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)所做的反直覺(jué)預(yù)測(cè)的一篇論文。在這篇論文里，他們?cè)敿?xì)表述EPR佯謬，試圖借著一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來(lái)論述量子力學(xué)的不完備性質(zhì)。他們并沒(méi)有更進(jìn)一步研究量子糾纏的特性。[4]
薛定諤閱讀完畢EPR論文之后，有很多心得感想，他用德文寫了一封信給愛因斯坦，在這封信里，他最先使用了術(shù)語(yǔ)Verschr?nkung（他自己將之翻譯為“糾纏”），這是為了要形容在EPR思想實(shí)驗(yàn)里，兩個(gè)暫時(shí)耦合的粒子，不再耦合之后彼此之間仍舊維持的關(guān)聯(lián)。不久之后，薛定諤發(fā)表了一篇重要論文，對(duì)于“量子糾纏”這術(shù)語(yǔ)給予定義，并且研究探索相關(guān)概念。薛定諤體會(huì)到這概念的重要性，他表明，量子糾纏不只是量子力學(xué)的某個(gè)很有意思的性質(zhì)，而是量子力學(xué)的特征性質(zhì)；量子糾纏在量子力學(xué)與經(jīng)典思路之間做了一個(gè)完全切割。如同愛因斯坦一樣，薛定諤對(duì)于量子糾纏的概念并不滿意，因?yàn)榱孔蛹m纏似乎違反在相對(duì)論中對(duì)于信息傳遞所設(shè)定的速度極限。后來(lái)，愛因斯坦更譏諷量子糾纏為鬼魅般的超距作用。
EPR論文很顯然地引起了眾多物理學(xué)者的興趣，啟發(fā)他們探討量子力學(xué)的基礎(chǔ)理論。但是除了這方面以外，物理學(xué)者認(rèn)為這論題與現(xiàn)代量子力學(xué)并沒(méi)有什么牽扯，在之后很長(zhǎng)一段時(shí)間，物理學(xué)術(shù)界并沒(méi)有特別重視這論題，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)EPR論文可能有什么重大瑕疵。EPR論文試圖建立定域性隱變量理論來(lái)替代量子力學(xué)理論。1964年，約翰·貝爾提出論文表明，對(duì)于EPR思想實(shí)驗(yàn)，量子力學(xué)的預(yù)測(cè)明顯地不同于定域性隱變量理論。概略而言，假若測(cè)量?jī)蓚€(gè)粒子分別沿著不同軸向的自旋，則量子力學(xué)得到的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)性結(jié)果比定域性隱變量理論要強(qiáng)很多，貝爾不等式定性地給出這差別，做實(shí)驗(yàn)應(yīng)該可以偵測(cè)出這差別。因此，物理學(xué)者做了很多檢試貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)。
1972年，約翰·克勞澤與史達(dá)特·弗利曼（Stuart Freedman）首先完成這種檢試實(shí)驗(yàn)。1982年，阿蘭·阿斯佩的博士論文是以這種檢試實(shí)驗(yàn)為題目。他們得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合量子力學(xué)的預(yù)測(cè)，不符合定域性隱變量理論的預(yù)測(cè)，因此證實(shí)定域性隱變量理論不成立。但是，每一個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)都存在有漏洞，這造成了實(shí)驗(yàn)的正確性遭到質(zhì)疑，在作總結(jié)之前，還需要完成更多精確的實(shí)驗(yàn)。
這些年來(lái)，眾多研究結(jié)果促成了應(yīng)用這些超強(qiáng)關(guān)聯(lián)來(lái)傳遞信息的可能性，從而導(dǎo)致了量子密碼學(xué)的成功發(fā)展，最著名的有查理斯·貝內(nèi)特（Charles Bennett）與吉勒·布拉薩（Gilles Brassard）發(fā)明的BB84協(xié)議、阿圖爾·艾克特（Artur Eckert）發(fā)明的E91協(xié)議。
2017年6月16日，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星墨子號(hào)首先成功實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)量子糾纏光子被分發(fā)到相距超過(guò)1200公里的距離后，仍可繼續(xù)保持其量子糾纏的狀態(tài)。
2018年4月25日，芬蘭阿爾托大學(xué)教授麥卡﹒習(xí)嵐帕（Mika Sillanp??）領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成功地量子糾纏了兩個(gè)獨(dú)自震動(dòng)的鼓膜。每個(gè)鼓膜的寬度只有15微米，約為頭發(fā)的寬度，是由10個(gè)金屬鋁原子制成。通過(guò)超導(dǎo)微波電路，在接近絕對(duì)溫度（-273.15攝氏度）下，兩個(gè)鼓膜持續(xù)進(jìn)行了約30分鐘的互動(dòng)。這實(shí)驗(yàn)演示出巨觀的量子糾纏。
2019年12月28日，英國(guó)和丹麥科學(xué)家稱，他們首次利用被稱作“量子糾纏”的物理現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了信息在兩個(gè)計(jì)算機(jī)芯片之間的“瞬間傳輸”，此舉可能催生更安全的“量子網(wǎng)絡(luò)”。這項(xiàng)研究的論文發(fā)表在《自然物理學(xué)》期刊上。[5]
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