深度長文：解讀量子糾纏，這才是你想要的答案（5000字建議收藏）

世界上總會(huì)有更奇妙的東西存在，等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。所以，某種意義上講，遺憾肯定是存在的，我們應(yīng)該懂得享受幸福，而不應(yīng)該沒有發(fā)現(xiàn)更奇妙的東西而有任何遺憾。

而量子糾纏或許就是當(dāng)今科學(xué)家最美妙的東西，當(dāng)然也是目前科學(xué)界的遺憾，如果能夠破解量子糾纏的本質(zhì)，那將是最美妙的事情。

首先，量子糾纏到底是什么？

簡單來講，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)粒子發(fā)生相互作用之后，單個(gè)粒子所擁有的屬性已經(jīng)轉(zhuǎn)換為整體屬性，這時(shí)候就無法描述單個(gè)粒子的屬性，只能描述整體屬性，這種現(xiàn)象就被稱為量子糾纏。

拿宏觀世界來打個(gè)比方，有兩只鞋子，本來毫無關(guān)系，如果這兩只鞋子發(fā)生相互作用，也就是組成了一雙鞋子，這時(shí)候就相當(dāng)于量子鞋子發(fā)生了“糾纏”，我們只能描述一雙鞋的屬性了，單個(gè)鞋子的特性就會(huì)被掩蓋。當(dāng)然，這個(gè)比喻不太嚴(yán)謹(jǐn)，大家明白就行了。

這里強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，量子糾纏只會(huì)作用于量子系統(tǒng)里，而在經(jīng)典力學(xué)中，并不存在這種現(xiàn)象。

舉個(gè)例子，假如一個(gè)自旋為零的基本粒子發(fā)生了衰變，衰變成以相反方向自旋的粒子，一個(gè)向上，另一個(gè)向下。當(dāng)我們測(cè)量其中一個(gè)粒子時(shí)，如果測(cè)量到的自旋方向?yàn)樯希敲戳硗庖粋€(gè)粒子的自旋方向必定為下，反之亦然。

也就是說，不管把這兩個(gè)粒子分開有多遠(yuǎn)，哪怕分別位于宇宙的兩端，只要我們對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量，比如說得到的自旋方向?yàn)樯希敲戳⒖叹湍苤懒硗庖粋€(gè)粒子的自旋方向?yàn)橄隆?/p>

更不可思議的是，在我們對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量時(shí)，另外一個(gè)粒子好像能瞬間感應(yīng)到我們的測(cè)量行為，立刻表現(xiàn)為相應(yīng)的自旋方向，而科學(xué)家并沒有發(fā)現(xiàn)兩者之間有任何信息傳遞，一切都是瞬間完成的。

而且，當(dāng)我們測(cè)量的一瞬間，這兩個(gè)原本糾纏中的粒子就失去了關(guān)聯(lián)，不再彼此發(fā)生糾纏，就像是從無話不談的朋友，瞬間變成“陌生人”一樣。

看到這里，你應(yīng)該會(huì)明白量子糾纏有幾個(gè)特點(diǎn)。

第一，量子糾纏只會(huì)發(fā)生在微觀世界，在現(xiàn)實(shí)世界里是找不到的，但僅僅是目前找不到，未來或許能夠發(fā)現(xiàn)，或者說因?yàn)楹暧^世界的物體質(zhì)量太大了，糾纏現(xiàn)象非常不明顯罷了，所以我們發(fā)現(xiàn)不了宏觀世界的糾纏現(xiàn)象。

第二，發(fā)生糾纏的粒子必須是兩個(gè)或者以上的量子系統(tǒng)。而系統(tǒng)本身就是整體性，所以說發(fā)生糾纏的量子是一個(gè)整體，拎出來一個(gè)單獨(dú)的粒子去討論其實(shí)是沒有意義的。

第三，量子糾纏的速度和距離問題。理論上不管多遠(yuǎn)，量子糾纏現(xiàn)象都能發(fā)生，但實(shí)際上要讓兩個(gè)或多個(gè)粒子在現(xiàn)實(shí)中保持糾纏是很難的事情，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中存在太多的干擾，很多干擾是根本無法排除的，而任何形式的干擾都可能影響到糾纏粒子的整體性，實(shí)際上就相當(dāng)于觀測(cè)行為，而任何觀測(cè)行為都可能讓糾纏狀態(tài)立刻中止。

中國科技大學(xué)教授潘建偉，在研究量子態(tài)隱形傳輸方面頗有建樹，早在2005年，潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的小組就實(shí)現(xiàn)了13公里遠(yuǎn)的自由空間雙向量子糾纏“拆分”和發(fā)送，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

而到了2007年，清華大學(xué)研究小組又把這個(gè)距離擴(kuò)大到16公里，并在2009年實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸。

以上這些研究也為中國未來的全球化量子通訊系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也證實(shí)了量子態(tài)隱形傳輸?shù)拇_實(shí)具有可行性。

但從量子態(tài)隱形傳輸?shù)木嚯x能夠看出，現(xiàn)實(shí)中量子糾纏的距離其實(shí)是非常有限的，要想實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的量子糾纏基本不可能，對(duì)各方面的要求太高了，人類根本就做不到。

看到這里，或許很多人會(huì)有這樣的疑問：如何制造出相互糾纏的粒子呢？

科學(xué)家是地球上最聰明的一群人，他們肯定有辦法。其實(shí)方法也并不難，當(dāng)然是操作起來會(huì)比較復(fù)雜， 但是原理很容易理解。

用激光束照射在偏硼酸鋇晶體上，就能制造出很多相互垂直的偏振光子，實(shí)際上就是糾纏光子對(duì)。

從中我們也能夠看出，量子糾纏并不是隨便就能發(fā)生的，有很強(qiáng)的“同源”規(guī)則，并不是隨隨便便拿出兩個(gè)手電筒，打開手電筒之后，光子們就會(huì)自動(dòng)發(fā)生糾纏，遠(yuǎn)沒有這么簡單。

其實(shí)一開始量子糾纏現(xiàn)象并沒有引起足夠的重視，甚至被認(rèn)為是量子力學(xué)的“漏洞”，而愛因斯坦也曾經(jīng)用量子糾纏這個(gè)“漏洞”質(zhì)疑量子力學(xué)的不完備性，認(rèn)為一定還存在其他未被發(fā)現(xiàn)的隱變量。

這還要從EPR悖論開始說起，為了論證量子力學(xué)的不完備性，愛因斯坦，羅森和波多爾斯基三人合作完成了一篇著名的論文《論量子力學(xué)的不完備性》。EPR，分別是以上三位科學(xué)家名字的首字母。

而薛定諤在閱讀了那篇論文之后，首次提到了“糾纏”這個(gè)詞語，之后，量子糾纏才開始被越來越多提到，用于描述量子世界里兩個(gè)耦合的粒子之間的關(guān)系。

其實(shí)無論是薛定諤還是愛因斯坦，對(duì)量子糾纏的概念都很不滿，原因很簡單，就是因?yàn)榱孔蛹m纏看起來違反了經(jīng)典世界里的光速限制，愛因斯坦甚至諷刺量子糾纏現(xiàn)象為“鬼魅般的超距作用”。

EPR論文的主要目的是為了用傳統(tǒng)的經(jīng)典物理學(xué)代替看起來不可思議的量子力學(xué)，具體來講就是通過建立定域性隱變量來代替量子力學(xué)，定域性通俗理解就是光速限制。那么這個(gè)隱變量是否存在就成為問題的關(guān)鍵。如果隱變量存在，那么就能證明量子力學(xué)確實(shí)應(yīng)該被經(jīng)典物理取代，如果隱變量不存在，表明量子力學(xué)的詭異現(xiàn)象確實(shí)存在，不會(huì)被經(jīng)典物理取代。

時(shí)間到了1964年，著名物理學(xué)家約翰貝爾給出了自己的論文，結(jié)果表明量子力學(xué)的預(yù)測(cè)與定域性隱變量理論有很大不同。概括起來就是，如果兩個(gè)粒子朝著不同的方向自旋，那么量子力學(xué)測(cè)量到的關(guān)聯(lián)性要比定域性隱變量強(qiáng)不少。

而貝爾不等式能定性地給出兩者之間的差別，通過做實(shí)驗(yàn)也可以觀測(cè)到這種差別，物理學(xué)家們確實(shí)做了很多實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)貝爾不等式。

而實(shí)驗(yàn)結(jié)果與量子力學(xué)的預(yù)測(cè)相符，這意味著實(shí)驗(yàn)結(jié)果與定域性隱變量并不相符，所以愛因EPR論文提出來的隱變量理論并不成立。這也表明量子力學(xué)的很多詭異現(xiàn)象，比如說量子糾纏現(xiàn)象確實(shí)存在。

通過科學(xué)家們的不懈努力，能夠讓距離更遠(yuǎn)的糾纏粒子保持糾纏態(tài)。比如說我們的墨子號(hào)量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在2017年就實(shí)現(xiàn)了距離1200公里遠(yuǎn)的量子糾纏。

看到這里，可能你還有很多疑問，比如說，量子糾纏是否真的超光速了？如何運(yùn)用量子糾纏來給信息加密？量子糾纏的機(jī)制到底是什么？

可以明確告訴你，量子糾纏并沒有超光速傳播信息，但作用過程是瞬間完成的，甚至超過光速10000倍，不過嚴(yán)格來講量子糾纏過程并沒有傳遞任何信息，所以并沒有違反愛因斯坦的相對(duì)論。就如剛開始所說，糾纏中的兩個(gè)粒子就像一雙鞋的左右兩只鞋那樣，當(dāng)我們知道其中一只鞋是左鞋時(shí)，立刻就知道另一雙鞋是右鞋，這個(gè)過程并不沒有傳遞任何信息。

說白了，量子糾纏描述的是整體系統(tǒng)，而非單個(gè)粒子，本來就是一個(gè)整體，就不存在所謂的距離問題。

而網(wǎng)絡(luò)上有些人會(huì)把量子糾纏定義為“心靈感應(yīng)”，眾所周知，心靈感應(yīng)在我們看來是瞬間傳遞的，比如說雙胞胎之間可能就會(huì)有某種心靈感應(yīng)。其實(shí)這種東西有些玄乎，或許真的如此，但畢竟科學(xué)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模鸫a目前科學(xué)界并不認(rèn)同量子糾纏與心靈感應(yīng)之間的關(guān)系，我們可以這樣思考，甚至可以以此寫一篇科幻文章，都是可以的，但用來科普就不太合適了，畢竟科學(xué)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

當(dāng)然，理論上的確能夠利用量子糾纏來完成瞬移，只不過在實(shí)現(xiàn)瞬移之前需要把瞬移的人或者物體的信息傳播到指定地點(diǎn)，而這個(gè)過程其實(shí)還要受限于光速，也就是說，還是經(jīng)典物理學(xué)中的信息傳播。

舉個(gè)例子，假如你在地球上，想瞬移到4.3光年外的比鄰星上，該怎么辦呢？首先需要把組成你身體的量子信息傳播到比鄰星上，這個(gè)過程需要4.3年時(shí)間。之后就可以利用量子糾纏原理，把你的量子信息通過糾纏的方式重組，這樣你就能瞬間傳遞到4.3光年外的比鄰星。

只不過，這里存在一個(gè)邏輯甚至倫理上的問題，在地球上消失的你，與在比鄰星上重組的你是否是一個(gè)人呢？從信息本身來講，你們的組成結(jié)構(gòu)的確是一樣的，但你們的思想，經(jīng)歷和性格是否相同呢？這是一個(gè)大問題。

也就是說，通過量子糾纏實(shí)現(xiàn)的瞬移，瞬移過去的只是你的身體，那么你的意識(shí)方面的東西會(huì)怎么樣呢？我們并不知道。

而平時(shí)我們所說的“量子通信”其實(shí)并不是利用量子糾纏來傳遞信息，而是用來給信息加密，也叫做“量子密鑰分發(fā)”。具體什么意思呢？

舉個(gè)例子，糾纏中的粒子一旦被任何人觀測(cè)，立刻就會(huì)發(fā)生坍縮，從糾纏態(tài)坍縮為本征態(tài)，而這種明顯的變化立刻就會(huì)引起信息發(fā)送者的警覺，發(fā)送者立刻就會(huì)知道有人在竊取信息了，這時(shí)候就需要對(duì)信息重新進(jìn)行加密，防止信息被竊取。

能夠看出，通過量子糾纏這種方式給信息加密，可靠性幾乎是百分之百的，任何竊取信息的行為都會(huì)被瞬間發(fā)現(xiàn)。因?yàn)槿魏胃`取信息的行為實(shí)際上就是在觀測(cè)信息，而任何觀測(cè)行為都會(huì)對(duì)糾纏中的量子產(chǎn)生影響。

所以，“量子密鑰分發(fā)”的方式給信息加密，完全不同于傳統(tǒng)的信息加密技術(shù)。我們的傳統(tǒng)信息加密技術(shù)，理論上完全可以破解而不被發(fā)現(xiàn)，但用“量子密鑰分發(fā)”的方式加密之后，再高級(jí)的竊取行為都會(huì)瞬間被發(fā)現(xiàn)，讓竊取信息者無處遁形！

最后一個(gè)問題：量子糾纏的機(jī)制和本質(zhì)到底是什么？

其實(shí)我們沒必要把量子糾纏現(xiàn)象看得太神奇，正如最開始所說，糾纏中的量子系統(tǒng)是由兩個(gè)或多個(gè)子系統(tǒng)，也就是單個(gè)粒子組成的，而整體系統(tǒng)表現(xiàn)出來的物理性質(zhì)，子系統(tǒng)是不可能表現(xiàn)出來的。

也就是說，我們只能描述整體系統(tǒng)的物理性質(zhì)，而子系統(tǒng)是不會(huì)體現(xiàn)出這種物理性質(zhì)的。

還拿一雙鞋來打比方，一雙鞋就是整體系統(tǒng)，而一只鞋就相當(dāng)于子系統(tǒng)。對(duì)于我們來講，一雙鞋才有意義，才能表現(xiàn)出鞋子的物理性質(zhì)，而一只鞋其實(shí)是沒有這種物理性質(zhì)的。說白了，兩只鞋具有不可分性，分開了就失去了意義。

當(dāng)然，這只是打比方，你非要說“一只鞋也可以穿啊”，那就沒有意思了。

同時(shí)，這種不可分性與空間無關(guān)，所以無論將子系統(tǒng)放在多遠(yuǎn)相距多么遙遠(yuǎn)的地方，仍舊具有這種特性。顯然這也凸顯出了量子糾纏的不可分性與定域性的不同。在EPR悖論里，兩個(gè)被分割很遠(yuǎn)的粒子，其整體系統(tǒng)仍舊是可分的。而量子糾纏系統(tǒng)則不同了，整體系統(tǒng)是不可分的。實(shí)際上這也像是“蹺蹺板”游戲，蹺蹺板永遠(yuǎn)是不可分的，兩者是一個(gè)整體。

說白了，糾纏中的粒子本質(zhì)上還是一種東西，看起來是兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的東西，但它們?nèi)耘f是一個(gè)整體，用數(shù)學(xué)語言來表述就是，糾纏中的粒子仍舊用一個(gè)波函數(shù)來描述，這樣就很好理解了，在一個(gè)波函數(shù)下，任何單個(gè)粒子的狀態(tài)改變，勢(shì)必瞬間會(huì)引起另一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)改變。

以上就是我對(duì)量子糾纏的解讀，希望能讓你對(duì)量子糾纏有全新的認(rèn)識(shí)。也有人會(huì)提出更加瘋狂的觀點(diǎn)，認(rèn)為量子糾纏現(xiàn)象來源于高維度，糾纏中的粒子通過高維度傳遞信息，而在高維度完全可以不受光速限制，所以糾纏中的粒子能瞬間感應(yīng)到彼此。

這種觀點(diǎn)目前來看仍舊屬于科幻層面，因?yàn)槿祟惿踔敛恢栏呔S度到底存不存在，我們并不知道高維度在哪里，如何才能前往高維度。

人類對(duì)量子力學(xué)和量子糾纏的完全認(rèn)知還有很長一段路要走，量子力學(xué)發(fā)展了一百多年，至今科學(xué)家都沒有弄清楚量子力學(xué)的真正本質(zhì)。我們只知道量子世界里確實(shí)存在很多詭異現(xiàn)象，但并不清楚這些現(xiàn)象背后的真正本質(zhì)。

也就是說，對(duì)于量子力學(xué)，人類只知其然，但不知其所以然。但這并不妨礙利用量子力學(xué)為人類服務(wù)，比如說讓人期待的量子計(jì)算機(jī)，一旦研究成功，對(duì)性能將會(huì)有顛覆性提升，完全碾壓傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

研究量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵就在于實(shí)現(xiàn)盡可能多的量子接口之間的糾纏，說白了就是讓盡可能多的量子對(duì)發(fā)生糾纏，這在實(shí)際操作中會(huì)很難，因?yàn)槿魏胃蓴_都會(huì)中斷量子之間的糾纏。清華大學(xué)曾經(jīng)實(shí)現(xiàn)了25個(gè)量子接口發(fā)生糾纏，打破了世界紀(jì)錄，不過這距離真正的量子計(jì)算機(jī)還有很長一段路。

量子計(jì)算機(jī)速度為什么如此快？因?yàn)榱孔佑?jì)算機(jī)的讀取信息的方式與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)完全不同。打個(gè)比方就知道了。假設(shè)有兩捆電線，每捆電線都有100根，編號(hào)分別從1到100。我們要做的是，把兩捆電線編號(hào)相同的電線連接起來，但我們并不知道每根電線的編號(hào)，比如挨根去找。

那么，我們只能一根一根去試，這就是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式。到了量子計(jì)算機(jī)就不用如此麻煩了，由于糾纏中的量子能瞬間感應(yīng)到彼此，所以編號(hào)相同的電線就能瞬間找到彼此進(jìn)行連接。

科學(xué)家們當(dāng)然也不會(huì)停止對(duì)量子糾纏的研究，因?yàn)樗麄兩钪浔澈笠欢[藏著更深的底層邏輯，有可能再次顛覆人類的傳統(tǒng)認(rèn)知。