第25章 量子纠缠（1/1）

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一、量子纠缠的神秘面纱

量子纠缠是量子力学中极为神秘的现象之一。当两个或多个量子系统处于纠缠状态时，它们之间会建立起一种特殊的关联，这种关联超越了我们在经典物理学中所理解的范畴。

在量子纠缠中，一个粒子的状态发生改变，无论它们相距多么遥远，另一个粒子的状态会立即发生相应的变化。这种瞬间的影响似乎无视了时间和空间的限制，给人一种 “幽灵般的超距作用” 之感。

例如，当两个相互纠缠的粒子被分开后，对其中一个粒子进行测量，若测得其处于某种特定状态，那么另一个粒子也会瞬间确定为与之相对应的状态。这种现象让人难以理解，因为在经典物理学中，信息的传递是不可能超过光速的。

量子纠缠的这种特性引发了许多科学家的深入思考和研究。阿尔伯特?爱因斯坦、B.E. 波多尔斯基和 N. 罗森在 1935 年发表的论文中，对量子力学的完备性提出了质疑，他们认为量子纠缠这种现象似乎违背了经典的物理实在论。埃尔温?薛定谔在研究这一佯谬时提出了 EPR 操控的概念，进一步加深了人们对量子纠缠的认识。

目前，量子纠缠现象已经在微观粒子如光子、电子，以及介观粒子如分子、巴克明斯特富勒烯甚至小钻石等中被观察到。根据目前实验显示，量子纠缠的作用速度至少比光速快 10,000 倍，这还只是速度下限。虽然量子纠缠的效应不能被用来以超光速传输经典信息，并不违反因果律，但它仍然挑战着我们对物理世界的传统认知。

二、量子纠缠的研究历史

（一）EPR 佯谬的提出

1935 年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森发表了题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完全的吗》的论文，提出了 EPR 佯谬。他们设计了一个思想实验，考虑两个曾经相互作用过的粒子，无论相距多远，始终遥相 “呼应”。比如两个自旋方向相反的电子，即使它们分别位于银河系两侧，只要一个自旋方向发生改变，另一个也同时随之改变。他们认为对一个粒子的测量不会对第二个粒子造成干扰，并给出一个判据：如果人们毫不干扰一个体系而能确定地预言它的一个物理量的值，则对应于这个物理量就存在物理实在性的一个元素。根据这个判据，他们指出量子力学认为粒子的坐标和动量不能同时具有确定值，因此它的描述是不完备的。

（二）薛定谔的贡献

薛定谔在研究 EPR 佯谬时提出了 EPR 操控的概念，并且创造了 “Quantum Entanglement”（量子纠缠）这一术语。薛定谔进一步表明量子纠缠是量子理论的特征性质。他通过 “薛定谔的猫” 这一着名的思想实验，生动地展示了量子力学中叠加态和量子纠缠的奇特性质。在这个实验中，一只猫被关在一个装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变是随机的，如果衰变发生，氰化物将被释放并杀死猫；如果未衰变，则猫将存活。由于我们无法确定镭是否衰变，因此在观测之前，猫的状态是既死又活的叠加态，而与猫的状态相关的微观粒子之间也处于量子纠缠状态。薛定谔的这些贡献进一步加深了人们对量子纠缠的认识和理解。

三、量子纠缠的原理探讨

（一）基于量子态叠加与量子态塌缩的原理

量子纠缠基于量子力学中的量子态叠加与量子态塌缩原理。在量子力学中，一个粒子的状态可以同时处于多种状态之间，这就是量子态叠加。例如，光子在没有被观测之前，其自旋可以同时沿着不同的方向，处于多种自旋状态的叠加。而当我们观测一个粒子时，它的状态只被压缩到一个确定的状态，这被称为量子态塌缩。当两个量子系统在量子态叠加时相互作用，它们的状态被锁定在一起，形成量子纠缠。这种纠缠不受距离、时间或任何其他因素的影响，而是通过一种看似瞬间的过程来实现。

（二）超光速特性

量子纠缠最为人称奇的特点在于其状态变化的瞬时性，这表明了在量子尺度上，信息的传递似乎不受光速限制。当两个或多个量子粒子发生纠缠时，它们形成了一种特殊的关联，不论彼此相距多远，一个粒子的状态发生变化时，与其纠缠的粒子状态也会同步改变。这种现象被科学家们形象地描述为 “量子非局域性”，它意味着量子纠缠可以超越空间的界限，实现超光速传递。根据目前实验显示，量子纠缠的作用速度至少比光速快 10,000 倍，这还只是速度下限。然而，目前科学界普遍认为，量子纠缠虽然是瞬间传递的，不过并没有传递任何信息，因此并不违反相对论。

（三）实验探索

量子纠缠的奇异性质已经在多个实验中得到了验证。其中最为着名的是爱因斯坦 - 波多尔斯基 - 罗森悖论（EPR 实验），它通过实验手段展示了量子纠缠现象的现实性。在这个实验中，科学家们成功地在两个相距很远的量子粒子之间实现了纠缠，当对其中一个粒子进行测量时，另一个粒子的状态发生了预期的改变，证实了量子纠缠的非局域性。中国量子科学家也利用 “墨子号” 卫星进行了突破性的量子纠缠实验。这项实验不仅将量子纠缠的距离扩展到了宇宙尺度，还在地面上粒子与近地轨道上飞行的卫星粒子之间实现了纠缠，进一步验证了量子纠缠现象不受距离限制的特性。这些实验不仅对量子物理学的基础研究具有重要意义，也为未来量子通信和量子计算的实际应用提供了可能。