量子纠缠：跨越空间的连接

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Måka，原文标题：《跨越空间的连接》，头图来自：视觉中国

一、量子纠缠是什么？  

构成我们宇宙的电子、光子和其他粒子彼此之间可以变得密不可分、“紧密相连”，在这种状态下，无论两个粒子相隔多远，在一个粒子身上观测到的状态，就能准确反映出另一个“相连”粒子的状态。这种联系就被称为量子纠缠。

量子纠缠发生在两个系统（比如两个粒子）相互作用时，它们的属性也会随即产生关联。纠缠常常与另一种被称为叠加的量子现象相辅相成。叠加就是粒子同时存在于两种不同的状态中，例如，光子可以同时显示水平和垂直的偏振状态。

为了简化地理解这个问题，我们可以先想想两个“纠缠”的硬币。每个硬币都藏在杯子下面，只要不掀开杯子，硬币就一直在“旋转”，处于正面和反面的叠加状态。一旦杯子被掀开，硬币就将随机变成正面或反面。

现在，鲍勃和爱丽丝两人分别带着一个杯子来到不同的房间。如果爱丽丝先掀开她的杯子，并发现她的硬币反面向上（这个结果完全是随机的），那么当鲍勃掀开杯子时，也会发现反面向上的硬币。

如果他们再次合上杯子重复这个实验，硬币又会回到叠加状态。爱丽丝再次掀开杯子，这次可能会发现她的硬币是正面的。那么，我们可以预期鲍勃也会发现他的硬币处于正面。

二、真实存在的纠缠  

1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森发表了一篇关于量子纠缠理论概念的论文。几位物理学家描述了这个想法，但却认为它给量子力学带来了问题，使理论变得不完整。

当时，许多人都质疑纠缠是否正确，甚至爱因斯坦本人也并不相信两个粒子可以在很远的距离上保持联系，称它是“鬼魅般的超距作用”。他认为这需要它们以超过光速的速度进行交流，而他之前已经证明这不可能。

但多年来，在各种实验中，研究人员已经产生了支持这一理论的纠缠粒子，纠缠已经毫无疑问地成为量子世界最具代表性的诡异现象之一。

和爱丽丝和鲍勃的实验类似，当研究人员将两个光子纠缠在一起，然后在精确控制的条件下将每个光子发送到不同的方向，它们将继续处于叠加状态，同时水平和垂直地偏振。只有当其中一个光子被测量时，两个光子才会随机地得到两种可能的偏振状态中的一种。

物理学家现在已经证明，纠缠可以跨越数百千米。2017年，一颗名为“墨子号”的中国卫星将纠缠的光子发送到不同的地面站，它们之间相隔1200多千米，打破了纠缠粒子的距离记录。

三、用实验理解更多粒子的纠缠  

量子关联与普通的关联大不相同。随机性是关键所在。这种幽灵般的内在随机性实际上正是困扰爱因斯坦的问题，但它对量子世界的运作方式至关重要。

两个纠缠的粒子的概念已经非常令人费解了，当涉及更多粒子时，情况还会变得更复杂。

例如，在人体等自然环境中，不是两个，而是数百个甚至更多分子纠缠在一起，构成了一个交织的群体。在这些多体纠缠系统中，整体大于部分之和。用一种形象的比喻，纠缠就像一根线，它穿过每一个单独的粒子，并且指导它们如何相互连接在一起。对科学家来说，真正的挑战是要理解数百个甚至更多粒子，如何能够以类似的方式相互联系。

了解多体纠缠的第一步是在实验室中创造并控制它。从根本上来说，这非常难做到。即使将规模再缩小一些，也并不简单。

比如，如果研究人员创建一个系统，产生了20个纠缠的粒子，然后他们向不同方向分别发送10个，那么他们就必须测量第一组10个粒子中的每一个是否和另一组中的每一个粒子都发生了纠缠。

有许多不同的方法来检验这些关联，对这些系统的描述也格外复杂。为了解决这个问题，许多研究人员正在努力思考纠缠材料的计算表示，它们要比现有的模型更简单、更简洁。

创建和控制量子系统的另一个困难与它们脆弱的性质有关。就像被称为“敏感植物”的含羞草一样，当环境发生轻微变化时，纠缠态就很容易消失。

在实验中，纠缠的粒子会迅速与它们周围的环境发生纠缠，这就破坏了研究人员可能试图研究或使用的原始纠缠态。即使是一个飞过实验的杂散光子也可能摧毁整个实验。在量子计算领域，这种脆弱性也会带来很多问题，导致计算错误。

四、万物的根源   

虽然纠缠是量子信息科学进步的关键，但它同样是理论物理学家格外感兴趣的一个概念。

一些理论物理学家认为，空间和时间本身就是潜在的量子连接网络的结果。时空中的任何两点，无论相隔多远，实际上都是纠缠的。我们认为彼此更近的时空点，可能只是比那些感觉更远的点更“纠缠”而已。

近期更多推测认为，纠缠可以看作量子引力中缝合不同时空区域的线。这种纠缠与时空的联系甚至可能有助于解决基础物理学中最大的挑战之一，那就是建立一个统一的理论，将广义相对论的宏观规律（引力）与量子物理学的微观规律（亚原子粒子的行为方式）联系在一起。

参考来源：

https://magazine.caltech.edu/post/untangling-entanglement

https://www.symmetrymagazine.org/article/january-2014/quantum-entanglement

https://theconversation.com/quantum-entanglement-what-it-is-and-why-physicists-want-to-harness-it-171608

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