深度長文：解讀量子糾纏的本質(zhì)，這才是你想要的答案！

世界的本質(zhì)似乎總在隱藏著無窮的奧秘，那些尚未被解鎖的真相，構(gòu)成了人類認(rèn)知邊界上的一道道謎題。而遺憾，往往伴隨著探索的腳步而生 —— 我們或許會(huì)為錯(cuò)過某顆星辰的軌跡而惋惜，為未能洞悉某種自然現(xiàn)象的本質(zhì)而困惑，但真正的智慧，在于懂得在探索中享受發(fā)現(xiàn)的幸福，而非被遺憾束縛前行的腳步。

在當(dāng)代科學(xué)界，量子糾纏無疑是最令人著迷的 “奇妙存在”：它既展現(xiàn)了微觀世界顛覆常識(shí)的詭異法則，成為科學(xué)家眼中最美妙的研究對(duì)象；又因本質(zhì)未明，成為目前物理學(xué)界最大的遺憾之一。倘若有一天人類能徹底破解量子糾纏的核心機(jī)制，那必將是一場重塑人類認(rèn)知宇宙方式的革命。

要理解量子糾纏，我們首先需要打破宏觀世界帶給我們的固有認(rèn)知。在日常生活中，我們習(xí)慣了 “個(gè)體獨(dú)立存在” 的邏輯：一本書、一張桌子、一個(gè)人，每個(gè)物體都有明確的自身屬性，即便與其他物體產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，也不會(huì)失去自身的獨(dú)立性。但在量子世界里，這種邏輯完全失效，量子糾纏正是這種 “失效” 的極致體現(xiàn)。

簡單來說，量子糾纏指的是：當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)微觀粒子發(fā)生特定的相互作用后，它們的個(gè)體屬性會(huì)徹底消失，轉(zhuǎn)化為一個(gè)不可分割的整體屬性。此時(shí)，我們無法再單獨(dú)描述其中任何一個(gè)粒子的狀態(tài)，只能對(duì)這個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一描述。這種 “個(gè)體消融于整體” 的現(xiàn)象，是量子世界獨(dú)有的特性，在經(jīng)典力學(xué)統(tǒng)治的宏觀世界中，找不到任何完全對(duì)應(yīng)的類比。

為了讓大家初步理解這一概念，我們可以做一個(gè)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)蜗蟮谋扔鳎合胂笥袃蓚€(gè)完全相同的 “量子積木”，在沒有發(fā)生糾纏時(shí)，每個(gè)積木都有自己的顏色、形狀等獨(dú)立屬性；當(dāng)它們發(fā)生糾纏后，這兩個(gè)積木就仿佛融合成了一個(gè) “組合體”，我們只能描述這個(gè)組合體的整體特征（比如 “一個(gè)由兩個(gè)積木構(gòu)成的紅色對(duì)稱結(jié)構(gòu)”），而無法再單獨(dú)說 “左邊的積木是紅色，右邊的積木是藍(lán)色”—— 因?yàn)閭€(gè)體屬性已經(jīng)被整體屬性所覆蓋。當(dāng)然，這個(gè)比喻忽略了量子糾纏的隨機(jī)性和非定域性等關(guān)鍵特征，真正的量子糾纏遠(yuǎn)比這復(fù)雜，但它能幫助我們建立一個(gè)核心認(rèn)知：糾纏后的量子系統(tǒng)，是一個(gè)不可分割的整體。

更科學(xué)的例子的是粒子自旋的糾纏現(xiàn)象。我們知道，微觀粒子都存在一種名為 “自旋” 的內(nèi)稟屬性，這種屬性并不是指粒子在像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)，而是一種量子力學(xué)特有的物理量，其取值是離散的（比如電子的自旋只有兩種可能：上旋或下旋）。假設(shè)有一個(gè)自旋為零的基本粒子，在特定條件下發(fā)生衰變，分裂成兩個(gè)新的粒子 A 和粒子 B。根據(jù)量子力學(xué)的守恒定律，這兩個(gè)粒子的自旋之和必須為零，也就是說，如果粒子 A 是上旋，粒子 B 就必須是下旋；反之，如果粒子 A 是下旋，粒子 B 就必須是上旋。

這看似簡單的守恒關(guān)系，卻蘊(yùn)含著量子糾纏最詭異的核心：當(dāng)這兩個(gè)粒子被分開后，無論相距多遠(yuǎn) —— 哪怕一個(gè)在地球的北極，一個(gè)在宇宙邊緣的星系，只要我們沒有對(duì)它們進(jìn)行測量，它們的自旋狀態(tài)就處于一種 “疊加態(tài)” 中，既不是確定的上旋，也不是確定的下旋，而是兩種狀態(tài)的概率疊加。但當(dāng)我們對(duì)粒子 A 進(jìn)行測量，確定其自旋為上旋的瞬間，遠(yuǎn)在宇宙另一端的粒子 B 會(huì)立刻 “感知” 到這一測量行為，瞬間坍縮為下旋狀態(tài)；同理，如果測量到粒子 A 是下旋，粒子 B 會(huì)瞬間變?yōu)樯闲?/p>

最令人震驚的是，這種 “瞬間響應(yīng)” 是完全超距的，科學(xué)家們至今沒有發(fā)現(xiàn)任何可以傳遞信息的介質(zhì)在兩個(gè)粒子之間流動(dòng)，整個(gè)過程仿佛是 “心靈感應(yīng)” 一般，在瞬間完成。更神奇的是，一旦測量完成，兩個(gè)粒子的糾纏狀態(tài)就會(huì)立刻解除，它們會(huì)恢復(fù)為獨(dú)立的個(gè)體，再也不會(huì)對(duì)彼此的狀態(tài)產(chǎn)生任何影響，就像一對(duì)曾經(jīng)心意相通的摯友，突然變成了毫無關(guān)聯(lián)的陌生人。

這里需要特別強(qiáng)調(diào)的是，量子糾纏是量子系統(tǒng)的專屬現(xiàn)象，在經(jīng)典力學(xué)中絕對(duì)不存在。

有人可能會(huì)質(zhì)疑：“如果我有一副手套，一只放在北京，一只放在上海，我打開北京的盒子發(fā)現(xiàn)是左手套，立刻就知道上海的是右手套，這難道不是和量子糾纏一樣嗎？” 但這兩者有著本質(zhì)的區(qū)別：手套在被分開時(shí)，其 “左手” 或 “右手” 的屬性是已經(jīng)確定的，只是我們暫時(shí)不知道而已，測量行為并沒有改變手套的屬性；而量子糾纏中的粒子，在測量之前并沒有確定的狀態(tài)，是測量行為本身導(dǎo)致了粒子狀態(tài)的坍縮 —— 這正是量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)最核心的分歧之一。

通過對(duì)量子糾纏定義的深入理解，我們可以總結(jié)出它的三個(gè)核心特點(diǎn)，這些特點(diǎn)每一個(gè)都挑戰(zhàn)著人類的常識(shí)認(rèn)知，卻被無數(shù)實(shí)驗(yàn)反復(fù)證實(shí)是客觀存在的。

量子糾纏的第一個(gè)顯著特點(diǎn)是：它只在微觀粒子組成的量子系統(tǒng)中發(fā)生，我們目前無法在宏觀世界中觀測到明顯的量子糾纏現(xiàn)象。這是因?yàn)楹暧^物體的質(zhì)量太大，由無數(shù)個(gè)微觀粒子組成，這些粒子之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜的相互作用，同時(shí)還會(huì)受到外界環(huán)境的強(qiáng)烈干擾（比如溫度、引力、電磁輻射等），導(dǎo)致量子糾纏狀態(tài)無法穩(wěn)定存在，會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi) “退相干”，也就是從量子態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)典態(tài)。

不過，這并不意味著宏觀世界絕對(duì)不存在量子糾纏，只是這種糾纏效應(yīng)極其微弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前人類的觀測能力。科學(xué)家們一直在嘗試尋找宏觀物體的量子糾纏現(xiàn)象，比如 2018 年，美國加州理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)曾在實(shí)驗(yàn)中讓兩個(gè)直徑為 15 微米的鋁制鼓膜發(fā)生了量子糾纏，這是人類首次在肉眼可見的宏觀物體中觀測到量子糾纏的跡象，但這種糾纏狀態(tài)只能在接近絕對(duì)零度（-273.15℃）的極端環(huán)境下維持極短的時(shí)間，一旦環(huán)境溫度升高，糾纏狀態(tài)就會(huì)立刻消失。

這也解釋了為什么我們?cè)谌粘Ｉ钪懈惺懿坏搅孔蛹m纏：宏觀物體的量子糾纏效應(yīng)太弱、太不穩(wěn)定，早已被經(jīng)典物理的規(guī)律所掩蓋。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來我們或許能找到更好的方法來屏蔽外界干擾，讓宏觀物體的量子糾纏狀態(tài)穩(wěn)定存在，到那時(shí)，我們對(duì)世界的認(rèn)知可能會(huì)發(fā)生全新的改變。

量子糾纏的第二個(gè)核心特點(diǎn)是其極強(qiáng)的整體性：一旦粒子發(fā)生糾纏，它們就會(huì)形成一個(gè)不可分割的整體系統(tǒng)，單個(gè)粒子的獨(dú)立意義會(huì)完全喪失。在量子力學(xué)中，我們用 “波函數(shù)” 來描述量子系統(tǒng)的狀態(tài)，對(duì)于糾纏中的粒子系統(tǒng)，我們只能用一個(gè)統(tǒng)一的波函數(shù)來描述，而無法用單個(gè)粒子的波函數(shù)分別描述。

這就意味著，糾纏系統(tǒng)中的任何一個(gè)粒子都不能被孤立看待，它的狀態(tài)始終與系統(tǒng)中其他粒子的狀態(tài)緊密關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)不受空間距離的影響。就像一個(gè)完整的生命體，心臟、肝臟、大腦等器官都是這個(gè)生命體的一部分，我們無法單獨(dú)說 “心臟是一個(gè)獨(dú)立的生命”，因?yàn)樗墓δ苤挥性谡麄€(gè)生命體中才能體現(xiàn) —— 量子糾纏系統(tǒng)中的粒子，正是處于這樣一種 “共生” 狀態(tài)。

這種整體性也導(dǎo)致了一個(gè)有趣的結(jié)論：在量子糾纏中，“個(gè)體” 是一個(gè)沒有意義的概念。我們不能問 “粒子 A 在沒有被測量時(shí)的自旋狀態(tài)是什么”，因?yàn)榱Ｗ?A 本身就沒有獨(dú)立的自旋狀態(tài)，它的狀態(tài)只有在與粒子 B 組成的整體系統(tǒng)中才能被定義。這與經(jīng)典物理中 “個(gè)體可以獨(dú)立存在并擁有自身屬性” 的認(rèn)知形成了鮮明對(duì)比，也正是量子力學(xué)被認(rèn)為 “詭異” 的重要原因之一。

量子糾纏的第三個(gè)特點(diǎn)是其超距關(guān)聯(lián)性與環(huán)境敏感性的矛盾統(tǒng)一：理論上，糾纏中的粒子無論相距多遠(yuǎn)，都能保持這種關(guān)聯(lián)；但在現(xiàn)實(shí)中，任何微小的外界干擾都可能破壞這種關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致糾纏狀態(tài)中止。

從理論上講，量子糾纏的關(guān)聯(lián)作用是超距的，不受空間距離的限制。這意味著，即使兩個(gè)粒子分別位于宇宙的兩端，它們之間的糾纏關(guān)聯(lián)依然存在，測量其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，另一個(gè)粒子會(huì)立刻做出響應(yīng)。這種超距關(guān)聯(lián)看似違反了愛因斯坦相對(duì)論中 “信息傳遞速度不能超過光速” 的限制，但實(shí)際上，量子糾纏并沒有傳遞任何有用的信息 —— 當(dāng)我們測量粒子 A 得到上旋狀態(tài)時(shí)，我們只能確定粒子 B 是下旋狀態(tài)，但這只是一種邏輯上的推導(dǎo)，并沒有任何新的信息從粒子 A 傳遞到粒子 B。就像我們知道 “如果今天是星期一，那么明天一定是星期二”，這種邏輯關(guān)聯(lián)并不需要信息傳遞，量子糾纏的超距關(guān)聯(lián)本質(zhì)上也是一種邏輯關(guān)聯(lián)，因此并沒有違反相對(duì)論。

但在現(xiàn)實(shí)中，要維持量子糾纏狀態(tài)卻極其困難，因?yàn)榱孔酉到y(tǒng)對(duì)環(huán)境干擾有著極強(qiáng)的敏感性。任何形式的外界干擾 —— 比如溫度的微小波動(dòng)、電磁場的干擾、甚至是空氣中分子的碰撞 —— 都會(huì)導(dǎo)致量子系統(tǒng)的波函數(shù)坍縮，讓糾纏狀態(tài)瞬間解除。這也是為什么科學(xué)家們?cè)谶M(jìn)行量子糾纏實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須創(chuàng)造極其苛刻的實(shí)驗(yàn)環(huán)境：比如在接近絕對(duì)零度的低溫環(huán)境中進(jìn)行，以減少分子熱運(yùn)動(dòng)的干擾；使用高真空設(shè)備，避免空氣分子的碰撞；采用高精度的屏蔽裝置，隔絕外界電磁場的影響。

即便如此，現(xiàn)實(shí)中量子糾纏的距離依然受到很大限制。早期的量子糾纏實(shí)驗(yàn)，糾纏距離只有幾厘米；隨著技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們逐漸將這個(gè)距離擴(kuò)大到幾十公里、幾百公里，甚至上千公里，但這已經(jīng)是目前技術(shù)所能達(dá)到的極限。要實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子糾纏，不僅需要解決環(huán)境干擾的問題，還需要克服粒子傳輸過程中的損耗問題 —— 這些都是目前科學(xué)界面臨的巨大挑戰(zhàn)。

量子糾纏的發(fā)現(xiàn)與研究，是一段充滿爭議、質(zhì)疑與突破的百年歷程。它最初被認(rèn)為是量子力學(xué)的 “漏洞”，甚至被愛因斯坦用來質(zhì)疑量子力學(xué)的完備性；而如今，它已經(jīng)成為量子力學(xué)中最核心、最被廣泛證實(shí)的現(xiàn)象之一，推動(dòng)著量子通信、量子計(jì)算等前沿技術(shù)的發(fā)展。

量子糾纏的概念最早可以追溯到 1935 年，當(dāng)時(shí)愛因斯坦、波多爾斯基和羅森三位科學(xué)家合作發(fā)表了一篇題為《論量子力學(xué)的不完備性》的論文，在這篇論文中，他們提出了著名的 “EPR 悖論”（EPR 是三位科學(xué)家名字的首字母縮寫），用量子糾纏現(xiàn)象對(duì)量子力學(xué)的完備性提出了質(zhì)疑。

愛因斯坦等人認(rèn)為，量子力學(xué)中描述的量子糾纏現(xiàn)象是不合理的。根據(jù)量子力學(xué)的哥本哈根詮釋，糾纏中的粒子在測量之前沒有確定的狀態(tài)，測量行為會(huì)導(dǎo)致粒子狀態(tài)的瞬間坍縮，而這種坍縮是超距的 —— 這在愛因斯坦看來，是一種 “鬼魅般的超距作用”，違反了相對(duì)論中 “定域性” 的原則（即任何物理作用都不能超過光速）。

為了反駁量子力學(xué)的這種 “詭異” 詮釋，愛因斯坦等人提出了 “隱變量理論”。他們認(rèn)為，量子力學(xué)之所以看起來不完備，是因?yàn)榇嬖谝恍┥形幢话l(fā)現(xiàn)的 “隱變量”—— 這些隱變量在粒子發(fā)生糾纏時(shí)就已經(jīng)確定了它們的狀態(tài)，測量行為只是讓這些隱變量的數(shù)值顯現(xiàn)出來，而不是導(dǎo)致粒子狀態(tài)的坍縮。換句話說，愛因斯坦等人認(rèn)為，量子糾纏的超距關(guān)聯(lián)只是一種表面現(xiàn)象，其背后存在著某種遵循經(jīng)典物理規(guī)律的隱變量，量子力學(xué)之所以無法解釋這種現(xiàn)象，是因?yàn)樗鼪]有包含這些隱變量。

EPR 悖論的提出，引發(fā)了物理學(xué)界長達(dá)數(shù)十年的激烈爭論。以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派堅(jiān)持量子力學(xué)的完備性，認(rèn)為量子世界的本質(zhì)就是概率性的、非定域的，愛因斯坦的隱變量理論是多余的；而以愛因斯坦為代表的一方則堅(jiān)信 “上帝不擲骰子”，認(rèn)為量子力學(xué)只是一個(gè)暫時(shí)的理論，未來一定會(huì)被一個(gè)包含隱變量的經(jīng)典物理理論所取代。

在 EPR 悖論發(fā)表后不久，著名物理學(xué)家薛定諤閱讀了這篇論文，并對(duì)其中描述的量子關(guān)聯(lián)現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚的興趣。他在給愛因斯坦的信中，首次使用了 “糾纏”（Entanglement）這個(gè)詞來描述這種現(xiàn)象，從此，“量子糾纏” 成為了物理學(xué)界的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語。

薛定諤本人也對(duì)量子糾纏的詭異特性感到困惑，他認(rèn)為量子糾纏是量子力學(xué)中 “最本質(zhì)的特征”，但同時(shí)也承認(rèn)，這種現(xiàn)象 “與我們的日常經(jīng)驗(yàn)格格不入”。和愛因斯坦一樣，薛定諤也不認(rèn)同量子力學(xué)的哥本哈根詮釋，他曾提出著名的 “薛定諤的貓” 思想實(shí)驗(yàn)，試圖揭示量子力學(xué)在宏觀世界中的荒謬性。

這場爭論持續(xù)了近 30 年，直到 1964 年才出現(xiàn)了關(guān)鍵性的突破。著名物理學(xué)家約翰?貝爾發(fā)表了一篇題為《論愛因斯坦 - 波多爾斯基 - 羅森悖論》的論文，在這篇論文中，他提出了一個(gè)重要的數(shù)學(xué)不等式 —— 貝爾不等式。貝爾不等式的核心思想是：如果愛因斯坦的隱變量理論成立，那么量子系統(tǒng)的測量結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)性會(huì)滿足一個(gè)特定的數(shù)學(xué)關(guān)系；而如果量子力學(xué)的哥本哈根詮釋成立，那么測量結(jié)果之間的關(guān)聯(lián)性會(huì)突破這個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系。

貝爾不等式的提出，為解決 EPR 悖論提供了一個(gè)可實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法。科學(xué)家們可以通過實(shí)驗(yàn)測量糾纏粒子的關(guān)聯(lián)特性，看看實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否滿足貝爾不等式 —— 如果滿足，就說明隱變量理論可能成立，量子力學(xué)不完備；如果不滿足，就說明隱變量理論不成立，量子力學(xué)的詮釋是正確的。

從 20 世紀(jì) 70 年代開始，科學(xué)家們陸續(xù)進(jìn)行了一系列驗(yàn)證貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)，其中最著名的是 1982 年法國物理學(xué)家阿斯佩克特等人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)中，阿斯佩克特團(tuán)隊(duì)利用激光照射偏硼酸鋇晶體，產(chǎn)生了大量糾纏光子對(duì)，然后將這些光子對(duì)分開，分別發(fā)送到兩個(gè)相距約 12 米的測量裝置中。通過改變測量裝置的角度，他們測量了光子偏振狀態(tài)的關(guān)聯(lián)特性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，糾纏光子的關(guān)聯(lián)特性明顯違反了貝爾不等式，與量子力學(xué)的預(yù)測完全一致，而與隱變量理論的預(yù)測不符。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果有力地證明了愛因斯坦提出的隱變量理論是不成立的，量子糾纏現(xiàn)象確實(shí)是量子世界的客觀存在，量子力學(xué)的哥本哈根詮釋是正確的。

此后，越來越多的科學(xué)家進(jìn)行了更精確、更嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)，不斷驗(yàn)證貝爾不等式。

2015 年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng) “無漏洞” 的貝爾不等式驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，他們將糾纏光子對(duì)發(fā)送到相距 1.3 公里的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，通過高精度的實(shí)驗(yàn)裝置排除了所有可能的漏洞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次證實(shí)了量子糾纏的客觀存在。

這些實(shí)驗(yàn)不僅結(jié)束了長達(dá)數(shù)十年的物理學(xué)爭論，也讓量子糾纏從一個(gè) “理論悖論” 變成了一個(gè)被廣泛認(rèn)可的物理現(xiàn)象。從此，科學(xué)家們不再質(zhì)疑量子糾纏的存在，而是開始深入研究其本質(zhì)，并探索其應(yīng)用價(jià)值。

要研究量子糾纏的本質(zhì)和應(yīng)用，首先需要解決一個(gè)關(guān)鍵問題：如何制備出相互糾纏的粒子？同時(shí)，如何在更遠(yuǎn)的距離上維持量子糾纏狀態(tài)？這些問題不僅是量子力學(xué)基礎(chǔ)研究的重要課題，也是量子技術(shù)應(yīng)用的前提。

制備糾纏粒子的核心原理是利用粒子的 “同源性”—— 只有來自同一個(gè)母粒子或同一個(gè)物理過程的粒子，才有可能發(fā)生量子糾纏。目前，科學(xué)家們最常用的制備糾纏粒子的方法是 “非線性光學(xué)過程”，其中最經(jīng)典的是 “自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換” 技術(shù)。

這種技術(shù)的原理并不復(fù)雜：當(dāng)一束高強(qiáng)度的激光照射到特定的非線性晶體（比如偏硼酸鋇晶體）上時(shí)，激光中的部分光子會(huì)被晶體 “拆分” 成兩個(gè)能量較低的光子。這兩個(gè)光子來自同一個(gè)母光子，因此它們的能量、動(dòng)量、偏振等物理量之間會(huì)滿足嚴(yán)格的守恒關(guān)系，從而形成糾纏光子對(duì)。

具體來說，這兩個(gè)糾纏光子的偏振狀態(tài)是相互垂直的 —— 如果一個(gè)光子的偏振方向是水平的，另一個(gè)光子的偏振方向就一定是垂直的；反之亦然。這種偏振糾纏是目前應(yīng)用最廣泛的量子糾纏形式，因?yàn)樗子诓倏睾蜏y量，是量子通信、量子計(jì)算等技術(shù)的核心載體。

除了自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換技術(shù)，科學(xué)家們還開發(fā)了其他制備量子糾纏的方法，比如離子阱技術(shù)（利用電磁場囚禁離子，通過激光操控讓離子發(fā)生糾纏）、超導(dǎo)量子比特技術(shù)（利用超導(dǎo)電路中的量子效應(yīng)制備糾纏態(tài)）、原子系綜技術(shù)（利用大量原子組成的系統(tǒng)制備集體糾纏態(tài)）等。不同的制備方法有著不同的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場景，比如離子阱技術(shù)制備的糾纏態(tài)穩(wěn)定性高，適合用于量子計(jì)算；超導(dǎo)量子比特技術(shù)制備的糾纏態(tài)操控性強(qiáng)，適合用于大規(guī)模量子芯片的研發(fā)。

需要強(qiáng)調(diào)的是，量子糾纏的制備并不是 “隨便兩個(gè)粒子放在一起就能糾纏”—— 它有著嚴(yán)格的物理?xiàng)l件限制。首先，粒子必須是 “同源” 的，來自同一個(gè)物理過程，這是形成糾纏的基礎(chǔ)；其次，制備環(huán)境必須足夠純凈，避免外界干擾破壞粒子的量子態(tài)；最后，粒子之間的相互作用必須滿足量子力學(xué)的耦合條件，才能讓個(gè)體屬性轉(zhuǎn)化為整體屬性。這也解釋了為什么我們不能用兩個(gè)手電筒發(fā)出的光子制造糾纏 —— 這些光子來自不同的光源，沒有同源性，也不滿足守恒關(guān)系，自然無法形成糾纏態(tài)。

制備出糾纏粒子后，如何在遠(yuǎn)距離上維持它們的糾纏狀態(tài)，是量子技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵難題。如前所述，量子糾纏對(duì)環(huán)境干擾極其敏感，粒子在傳輸過程中會(huì)與空氣分子、電磁場等發(fā)生相互作用，導(dǎo)致糾纏態(tài)迅速退相干。為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們采取了兩種主要思路：一是優(yōu)化傳輸介質(zhì)，減少干擾；二是提升糾纏粒子的穩(wěn)定性，延長退相干時(shí)間。

早期的遠(yuǎn)距離量子糾纏實(shí)驗(yàn)主要在地面進(jìn)行。

2005 年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在合肥開展了自由空間量子糾纏實(shí)驗(yàn)。他們將制備出的糾纏光子對(duì)通過激光發(fā)射到 13 公里外的接收裝置，成功實(shí)現(xiàn)了雙向量子糾纏 “拆分” 和發(fā)送，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的世界紀(jì)錄。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于選擇了海拔較高、空氣稀薄的實(shí)驗(yàn)場地，減少了空氣分子對(duì)光子的散射和吸收，同時(shí)采用了高精度的瞄準(zhǔn)和接收技術(shù)，確保光子能夠準(zhǔn)確到達(dá)接收端。

2007 年，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在青海湖開展實(shí)驗(yàn)，利用青海湖周邊開闊、干擾小的地理優(yōu)勢(shì)，將量子糾纏的傳輸距離擴(kuò)大到 16 公里。2009 年，該團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了 25 公里的量子態(tài)隱形傳輸，驗(yàn)證了地面遠(yuǎn)距離量子糾纏的可行性。這些實(shí)驗(yàn)為地面量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，也證明了通過優(yōu)化傳輸環(huán)境，能夠有效延長量子糾纏的傳輸距離。

除了自由空間傳輸，科學(xué)家們也在探索光纖傳輸量子糾纏。光纖具有傳輸損耗低、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)通信的主要載體。但光纖也會(huì)對(duì)量子態(tài)產(chǎn)生影響，比如光纖中的雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致光子吸收，光纖的偏振模色散會(huì)破壞光子的偏振糾纏。為了解決這些問題，科學(xué)家們開發(fā)了專用的量子光纖，通過優(yōu)化光纖材料和結(jié)構(gòu)，減少對(duì)量子態(tài)的干擾。目前，光纖量子糾纏的傳輸距離已經(jīng)達(dá)到百公里級(jí)別，為城域量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了技術(shù)支持。

地面遠(yuǎn)距離量子糾纏實(shí)驗(yàn)面臨著一個(gè)無法回避的問題：地球曲率的影響。當(dāng)傳輸距離超過百公里后，地面接收裝置很難直接接收到來自發(fā)射端的光子，必須通過中繼站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，但量子糾纏的特性決定了中繼站無法像傳統(tǒng)通信那樣放大和轉(zhuǎn)發(fā)量子態(tài)，否則會(huì)破壞糾纏狀態(tài)。為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家們將目光投向了太空 —— 利用衛(wèi)星作為量子糾纏的傳輸平臺(tái)，能夠突破地球曲率的限制，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的遠(yuǎn)距離量子糾纏。

2016 年 8 月 16 日，中國成功發(fā)射了全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星 “墨子號(hào)”，這顆衛(wèi)星的核心任務(wù)之一就是開展星地量子糾纏實(shí)驗(yàn)。

2017 年，“墨子號(hào)” 衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心的支持下，成功實(shí)現(xiàn)了星地之間 1200 公里的量子糾纏分發(fā)。實(shí)驗(yàn)中，“墨子號(hào)” 衛(wèi)星上的量子糾纏源制備出糾纏光子對(duì)后，通過激光發(fā)射到地面上的兩個(gè)接收站 —— 一個(gè)位于青海德令哈，另一個(gè)位于云南麗江，兩個(gè)接收站之間的地面距離超過 1200 公里。

“墨子號(hào)” 的實(shí)驗(yàn)之所以能夠成功，關(guān)鍵在于太空環(huán)境的優(yōu)勢(shì)：太空是高真空、低溫度、無電磁干擾的理想環(huán)境，光子在太空中傳輸時(shí)，幾乎不會(huì)受到散射和吸收，能夠有效維持糾纏狀態(tài)。同時(shí)，“墨子號(hào)” 衛(wèi)星上搭載了高精度的指向和跟蹤系統(tǒng)，能夠?qū)⒐庾訙?zhǔn)確地發(fā)射到地面接收站。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)不僅創(chuàng)造了量子糾纏傳輸距離的世界紀(jì)錄，也驗(yàn)證了全球量子通信的可行性，為構(gòu)建全球化量子通信網(wǎng)絡(luò)邁出了關(guān)鍵一步。

此后，“墨子號(hào)” 還開展了一系列更具挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)，比如跨洲際量子糾纏分發(fā)。2018 年，“墨子號(hào)” 衛(wèi)星將糾纏光子對(duì)分別發(fā)送到中國和奧地利的地面接收站，實(shí)現(xiàn)了距離超過 7600 公里的跨洲際量子糾纏，證明了量子糾纏能夠在全球范圍內(nèi)傳播。這些實(shí)驗(yàn)的成功，標(biāo)志著中國在量子通信領(lǐng)域走在了世界前列，也為人類利用量子糾纏技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

量子糾纏的詭異特性不僅顛覆了人類對(duì)微觀世界的認(rèn)知，也為人類帶來了一系列革命性的技術(shù)應(yīng)用前景。目前，量子糾纏的應(yīng)用主要集中在量子通信、量子計(jì)算等領(lǐng)域，而量子瞬移等更具科幻色彩的應(yīng)用，也在理論研究中不斷取得進(jìn)展。

提到量子糾纏的應(yīng)用，最成熟、最具現(xiàn)實(shí)意義的就是量子通信。但需要澄清的是，量子通信并不是利用量子糾纏來傳遞信息，而是利用量子糾纏的特性來給信息加密，這種加密方式被稱為 “量子密鑰分發(fā)”（QKD），其核心優(yōu)勢(shì)是 “絕對(duì)安全”—— 任何竊取信息的行為都會(huì)被瞬間發(fā)現(xiàn)，無法破解。

量子密鑰分發(fā)的原理基于量子力學(xué)的兩個(gè)核心特性：量子態(tài)的不可克隆性和測量導(dǎo)致坍縮。具體來說，通信雙方（比如 Alice 和 Bob）首先通過量子信道（如光纖、自由空間）分發(fā)糾纏光子對(duì)。Alice 和 Bob 各自對(duì)收到的光子進(jìn)行隨機(jī)的測量（比如測量光子的偏振方向），由于光子處于糾纏狀態(tài)，他們的測量結(jié)果會(huì)呈現(xiàn)出嚴(yán)格的關(guān)聯(lián)特性。

接下來，Alice 和 Bob 通過經(jīng)典信道（如電話、互聯(lián)網(wǎng)）公開他們的測量方式，但不公開測量結(jié)果。然后，他們根據(jù)公開的測量方式，篩選出測量方式相同的那些光子 —— 這些光子的測量結(jié)果是完全關(guān)聯(lián)的，因此可以將這些測量結(jié)果轉(zhuǎn)化為一串二進(jìn)制數(shù)字，這串?dāng)?shù)字就是 “量子密鑰”。

最關(guān)鍵的一步是安全驗(yàn)證：如果有第三方（比如 Eve）試圖竊取量子密鑰，她就必須對(duì)傳輸中的糾纏光子進(jìn)行測量，而根據(jù)量子力學(xué)的特性，任何測量行為都會(huì)導(dǎo)致光子的糾纏態(tài)坍縮，改變光子的偏振狀態(tài)。這樣一來，Alice 和 Bob 在比對(duì)測量結(jié)果時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)大量不匹配的情況，從而立刻意識(shí)到有竊聽者存在。此時(shí)，他們可以選擇放棄這組密鑰，重新分發(fā)糾纏光子對(duì)，直到獲得安全的量子密鑰。

與傳統(tǒng)的加密技術(shù)相比，量子密鑰分發(fā)具有兩個(gè)不可替代的優(yōu)勢(shì)：一是 “絕對(duì)安全”，傳統(tǒng)加密技術(shù)依賴于數(shù)學(xué)算法的復(fù)雜性，只要計(jì)算機(jī)的算力足夠強(qiáng)大，就有可能被破解；而量子密鑰分發(fā)依賴于量子力學(xué)的基本規(guī)律，任何竊取行為都會(huì)被發(fā)現(xiàn)，從原理上保證了加密的安全性。二是 “一次一密”，量子密鑰可以做到每次通信都使用新的密鑰，即使之前的密鑰被意外泄露，也不會(huì)影響后續(xù)通信的安全。

目前，量子通信已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)實(shí)應(yīng)用階段。中國已經(jīng)建成了全球首條量子保密通信骨干線路 “京滬干線”，這條線路連接了北京、上海、濟(jì)南、合肥等多個(gè)城市，全長超過 2000 公里，能夠?yàn)檎y行、電力等重要行業(yè)提供高安全級(jí)別的通信服務(wù)。同時(shí)，“墨子號(hào)” 衛(wèi)星與 “京滬干線” 結(jié)合，構(gòu)建了全球首個(gè)星地一體的量子通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了地面城市之間、地面與太空之間的量子保密通信。

除了中國，美國、歐洲、日本等國家和地區(qū)也在積極開展量子通信的研究和應(yīng)用。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，量子通信有望成為全球信息安全的核心保障，應(yīng)用于軍事、金融、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域，保護(hù)人類的隱私和數(shù)據(jù)安全。

量子糾纏的超距關(guān)聯(lián)特性，也讓 “量子瞬移” 成為了科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。量子瞬移的核心思想是：利用量子糾纏的關(guān)聯(lián)特性，將一個(gè)量子系統(tǒng)的狀態(tài)瞬間傳遞到另一個(gè)量子系統(tǒng)中，而不需要傳遞量子系統(tǒng)本身。需要強(qiáng)調(diào)的是，量子瞬移并不是 “瞬間移動(dòng)” 物體，而是瞬間傳遞物體的量子狀態(tài)，其本質(zhì)是量子信息的傳遞。

量子瞬移的理論原理最早由美國科學(xué)家貝內(nèi)特等人于 1993 年提出。具體來說，要實(shí)現(xiàn)量子瞬移，需要三個(gè)粒子：粒子 A（待瞬移的量子系統(tǒng)）、粒子 B 和粒子 C（一對(duì)糾纏粒子）。其中，粒子 B 由發(fā)送方（Alice）持有，粒子 C 由接收方（Bob）持有。

實(shí)現(xiàn)過程分為三個(gè)步驟：第一步，Alice 對(duì)粒子 A 和粒子 B 進(jìn)行聯(lián)合測量，這個(gè)測量會(huì)導(dǎo)致粒子 A 和粒子 B 的量子態(tài)坍縮，同時(shí)也會(huì)影響到遠(yuǎn)在 Bob 處的粒子 C 的量子態(tài)（因?yàn)榱Ｗ?B 和粒子 C 是糾纏的）；第二步，Alice 將測量結(jié)果通過經(jīng)典信道傳遞給 Bob；第三步，Bob 根據(jù) Alice 的測量結(jié)果，對(duì)粒子 C 進(jìn)行相應(yīng)的幺正變換，就能讓粒子 C 的量子態(tài)與粒子 A 原來的量子態(tài)完全相同 —— 這樣一來，粒子 A 的量子狀態(tài)就被瞬間傳遞到了粒子 C 上，實(shí)現(xiàn)了量子瞬移。

從這個(gè)過程可以看出，量子瞬移有兩個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)：一是量子態(tài)的傳遞是瞬間的，不受空間距離的限制；二是經(jīng)典信道的通信是必不可少的，Alice 必須將測量結(jié)果傳遞給 Bob，Bob 才能完成幺正變換，而經(jīng)典信道的通信速度不能超過光速。因此，量子瞬移并沒有違反相對(duì)論，也不能實(shí)現(xiàn)超光速傳遞物體或信息。

自 1993 年理論提出以來，科學(xué)家們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了量子瞬移。1997 年，奧地利科學(xué)家蔡林格等人首次在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了光子的量子瞬移；2004 年，美國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了原子的量子瞬移；2017 年，“墨子號(hào)” 衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了 1200 公里的星地量子瞬移，創(chuàng)造了量子瞬移距離的世界紀(jì)錄。

目前，量子瞬移的實(shí)驗(yàn)對(duì)象主要是微觀粒子，如光子、原子、離子等。要實(shí)現(xiàn)宏觀物體的量子瞬移，面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)：宏觀物體由大量微觀粒子組成，要將所有粒子的量子狀態(tài)同時(shí)傳遞，需要制備極其復(fù)雜的糾纏態(tài)，同時(shí)還要避免外界干擾導(dǎo)致量子態(tài)退相干。此外，宏觀物體的量子態(tài)測量和幺正變換也超出了目前的技術(shù)能力。

除了技術(shù)挑戰(zhàn)，量子瞬移還面臨著嚴(yán)重的倫理困境。

如果有一天人類能夠?qū)崿F(xiàn)宏觀物體的量子瞬移，比如將一個(gè)人從地球瞬移到火星，那么就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)核心問題：瞬移后的人還是原來的人嗎？從量子狀態(tài)來看，瞬移后的人的身體組成、基因序列、記憶存儲(chǔ)等都與原來的人完全相同；但從意識(shí)層面來看，瞬移后的人的意識(shí)是否與原來的人連續(xù)？原來的人在被測量后量子態(tài)坍縮，相當(dāng)于 “消失” 了，而瞬移后的人是一個(gè) “復(fù)制品”—— 這個(gè)復(fù)制品是否擁有原來的意識(shí)和自我認(rèn)知？

這個(gè)問題不僅涉及到物理學(xué)的基本原理，還涉及到哲學(xué)、倫理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。目前，科學(xué)家們對(duì)意識(shí)的本質(zhì)還沒有完全理解，因此無法給出明確的答案。但可以肯定的是，即使未來能夠?qū)崿F(xiàn)宏觀物體的量子瞬移，也需要解決這些倫理問題，才能真正應(yīng)用于人類社會(huì)。

量子糾纏是量子計(jì)算的核心資源，量子計(jì)算機(jī)之所以能夠擁有遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的算力，本質(zhì)上就是利用了量子糾纏的特性。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制位（比特）作為信息的基本單位，每個(gè)比特只能處于 0 或 1 兩種狀態(tài)之一；而量子計(jì)算機(jī)使用量子比特（qubit）作為信息的基本單位，量子比特可以處于 0 和 1 的疊加態(tài)，同時(shí)，多個(gè)量子比特可以通過量子糾纏形成復(fù)雜的疊加態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。

舉一個(gè)簡單的例子：如果我們要解決一個(gè) “尋找一組數(shù)據(jù)中的最大值” 的問題，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要逐個(gè)比較數(shù)據(jù)，假設(shè)數(shù)據(jù)量為 N，那么傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要進(jìn)行 N-1 次比較；而量子計(jì)算機(jī)可以利用量子糾纏讓多個(gè)量子比特同時(shí)處于所有數(shù)據(jù)的疊加態(tài)，通過一次測量就能得到最大值，計(jì)算效率呈指數(shù)級(jí)提升。

這種并行計(jì)算能力讓量子計(jì)算機(jī)在處理某些特定問題時(shí)具有巨大的優(yōu)勢(shì)，比如大數(shù)分解、密碼破解、量子模擬等。例如，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要上千年才能破解的 RSA 加密算法，量子計(jì)算機(jī)只需要幾分鐘就能破解；傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法模擬的復(fù)雜量子系統(tǒng)（如高溫超導(dǎo)材料、量子化學(xué)反應(yīng)），量子計(jì)算機(jī)可以通過量子糾纏構(gòu)建對(duì)應(yīng)的量子模型，進(jìn)行精確模擬。

目前，量子計(jì)算的研究已經(jīng)進(jìn)入了 “NISQ 時(shí)代”（Noisy Intermediate-Scale Quantum，嘈雜中等規(guī)模量子），即量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)量已經(jīng)達(dá)到幾十到幾百個(gè)，但量子比特的穩(wěn)定性和操控精度還不夠高，存在一定的噪聲和誤差。

中國在量子計(jì)算領(lǐng)域也取得了顯著的進(jìn)展。2020 年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了 76 個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī) “九章”，在 “高斯玻色取樣” 問題上實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)的超越，處理速度比當(dāng)時(shí)最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬億倍。2021 年，該團(tuán)隊(duì)又構(gòu)建了 113 個(gè)量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算原型機(jī) “祖沖之號(hào)”，在 “隨機(jī)線路取樣” 問題上取得了重要突破。

但量子計(jì)算的發(fā)展仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)：一是量子比特的穩(wěn)定性問題，目前的量子比特容易受到外界干擾，退相干時(shí)間較短，需要開發(fā)更穩(wěn)定的量子比特材料和制備技術(shù)；二是量子糾纏的操控問題，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算，需要精確操控大量量子比特之間的糾纏，這對(duì)操控技術(shù)的精度和效率提出了極高的要求；三是量子誤差校正問題，量子計(jì)算過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差，需要開發(fā)有效的量子誤差校正算法，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，但量子計(jì)算的發(fā)展前景依然十分廣闊。科學(xué)家們預(yù)測，在未來 10-20 年內(nèi)，量子計(jì)算機(jī)有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，在金融、醫(yī)療、能源、人工智能等領(lǐng)域引發(fā)革命性的變革。

盡管量子糾纏的現(xiàn)象已經(jīng)被無數(shù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，其應(yīng)用也在不斷推進(jìn)，但關(guān)于量子糾纏的本質(zhì)，科學(xué)家們至今仍沒有達(dá)成共識(shí)。這個(gè)問題不僅是量子力學(xué)的核心謎題，也關(guān)系到人類對(duì)宇宙底層邏輯的認(rèn)知。

根據(jù)量子力學(xué)的哥本哈根詮釋，量子糾纏的本質(zhì)是量子系統(tǒng)的整體性和非定域性。正如我們之前所強(qiáng)調(diào)的，糾纏中的粒子是一個(gè)不可分割的整體，它們的狀態(tài)由一個(gè)統(tǒng)一的波函數(shù)描述，因此，測量其中一個(gè)粒子的狀態(tài)，必然會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，這種影響不受空間距離的限制 —— 這并不是因?yàn)榱Ｗ又g傳遞了某種超光速的信息，而是因?yàn)樗鼈儽旧砭褪且粋€(gè)整體，不存在 “距離” 的概念。

這種解釋雖然能夠很好地符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但卻與人類的常識(shí)認(rèn)知和經(jīng)典物理的定域性原則相沖突。在經(jīng)典物理中，物體的相互作用必須通過介質(zhì)傳遞，且傳遞速度不能超過光速，這是相對(duì)論的核心原則；而量子糾纏的非定域性則意味著，存在一種不依賴于介質(zhì)、超距的關(guān)聯(lián)作用，這讓很多科學(xué)家難以接受。

為了調(diào)和量子糾纏的非定域性與相對(duì)論的定域性之間的矛盾，一些科學(xué)家提出了非主流的解釋，其中最具代表性的是 “非定域隱變量理論” 和 “高維空間假說”。

“非定域隱變量理論” 是對(duì)愛因斯坦隱變量理論的修正。這種理論認(rèn)為，量子系統(tǒng)中確實(shí)存在隱變量，但這些隱變量是 “非定域” 的，它們可以在不同的空間點(diǎn)之間產(chǎn)生超距作用。這種理論雖然能夠解釋量子糾纏的超距關(guān)聯(lián)，但卻需要引入新的物理假設(shè)，而且目前還沒有被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

“高維空間假說” 則從空間維度的角度解釋量子糾纏。

這種假說認(rèn)為，我們所處的三維空間只是高維空間的一個(gè) “投影”，糾纏中的粒子在高維空間中其實(shí)是相互連接的，它們之間的超距關(guān)聯(lián)并不是真正的 “超距”，而是通過高維空間進(jìn)行的 “近距離” 作用。就像在二維平面上，兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的點(diǎn)，在三維空間中可以通過一個(gè) “隧道” 連接起來，變得很近 —— 量子糾纏中的粒子，可能就是通過高維空間的 “隧道” 實(shí)現(xiàn)了瞬間關(guān)聯(lián)。

這種假說充滿了科幻色彩，也符合人類對(duì)宇宙維度的想象，但目前還沒有任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)能夠證明高維空間的存在。而且，高維空間假說也面臨著一個(gè)核心問題：如果高維空間存在，為什么我們無法感知到它？這些問題的解答，可能需要等待物理學(xué)的重大突破。