第25章 量子纠缠

中文啦 www.izhongwen.cc，最快更新林光宇轮回刺谈!

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。

四、量子纠缠的速度之谜

（一）阿秒级观测

量子纠缠的发生速度一直是科学界关注的焦点。近期，科学家在阿秒级时间尺度上对量子纠缠进行了观测，取得了重大进展。阿秒是一个极小的时间单位，1 阿秒等于 1x10?1? 秒。维也纳工业大学的科研专家联合中国团队，开发了计算机模拟来探索这些超快过程，在阿秒级别观察量子纠缠。

研究人员观察了受到强激光脉冲照射的原子。在激光作用下，一个电子被撕扯出来，另一个则留在原子中。这两个电子之间存在量子纠缠，且它们的状态相互关联。飞离的电子的 “出生时间” 与留在原子的电子状态密切相关。如果剩余的电子处于较高能量状态，那么飞走的电子更有可能是在较早的时间点被撕扯出来；如果剩余的电子处于较低能量状态，那么飞走的自由电子的 “诞生时间” 可能较晚，平均约为 232 阿秒。

这项研究为量子纠缠的形成提供了新的视角，强调了时间在量子事件中的重要性。量子纠缠在如此短的时间内发生，表明量子世界的变化速度之快超出了我们的想象。这也让我们更加深入地理解了量子力学的奇妙之处，以及量子纠缠在量子信息处理和量子计算中的潜在应用。

（二）中国科学家的测量

中国科学家在量子纠缠速度的测量方面也取得了重大突破。科研人员通过观察两个电子之间的量子纠缠，精确测量出量子纠缠的时间差为 232 阿秒。这一发现不仅有助于我们更好地探索宇宙基本规律，也为量子计算的发展带来了新的机遇。

量子纠缠是量子计算的核心资源之一。两个或多个量子粒子之间的纠缠可以实现量子信息的快速传输和处理，大大提高计算速度。中国科学家的测量结果为量子计算系统的设计提供了重要的参考。知道了量子纠缠的具体速度，科学家们就可以更好地设计量子计算机的硬件和软件，加速量子计算机的研发进程。

量子计算被认为是未来计算技术的希望之星，它利用量子力学的特性，可以同时处理大量的信息，解决传统计算机难以应对的复杂问题。例如，它可以在短时间内破解目前最复杂的加密系统，也可以模拟复杂的分子结构，帮助科学家开发新的药物。中国科学家对量子纠缠速度的测量，为量子计算的发展奠定了坚实的基础，让我们对未来的科技发展充满了期待。

五、量子纠缠的实验验证

（一）量子擦除实验

量子擦除实验是一种干涉仪实验，能够演示量子纠缠、量子互补等基本理论。在量子力学里，它有着重要的地位。

实验步骤：

照射光子束于双缝干涉仪，然后确认在探测屏出现了干涉图样。

观察光子通过的是哪条狭缝，在观察时需小心翼翼不过度搅扰光子的运动，此时，探测屏的干涉图样被消毁。这是因为干涉图样是由于 “路径信息” 的存在而被消毁。

通过特别程序，可以将路径信息擦除，且能重新得到干涉图样。另外，不论擦除过程的完成时间是在光子被探测之前或之后，都会重新得到干涉图样。

意义：在干涉仪实验中，干涉图样的可视性与路径信息是两个互补变量，根据互补原理，越能分辨路径信息，则干涉图样可视性越低；假若干涉图样可视性越高，则越无法分辨路径信息。量子擦除实验展示了量子世界中这种奇妙的互补关系，同时也进一步加深了我们对量子纠缠和量子互补的理解。它为量子力学的研究提供了新的实验方法和思路，有助于我们更深入地探索量子世界的奥秘。

（二）利用光学系统制备和检测纠缠光子对

利用光学系统制备纠缠光子对是一种常见且重要的方法。

原理：首先，需要一个光源，比如激光器，发出一束单色的强光。然后，将这束光照射到一个特殊的晶体上，比如 β - 钡硼酸盐（bbo）晶体。这种晶体具有非线性光学效应，可以将一束高能量的入射光转化为两束低能量的出射光。这个过程叫做自发参量下转换（Spdc），是一种量子过程。在这个过程中，入射光中的一个光子会被分解为两个能量相等的出射光子，这两个出射光子就是我们要制备的纠缠光子对。这两个出射光子之间存在着一种关联或者约束，使得它们的偏振方向总是相互补偿或者相反。

检测和验证方法：我们需要用到偏振片和光电探测器来进行测量。偏振片是一种可以改变或者筛选光波偏振方向的器件。我们将两个偏振片分别放在两个出射光子的路径上，并且调整它们的角度。然后，将两个光电探测器分别放在两个偏振片的后面，用来记录每个出射光子是否通过偏振片并且到达探测器。通过这样的设置，我们就可以对两个出射光子的偏振状态进行测量，并且比较它们之间的关系。如果我们重复这样的测量多次，并且改变偏振片的角度，我们就可以得到一组数据，用来表示两个出射光子的偏振相关性。这种相关性可以用一个数学公式来描述，叫做贝尔不等式。如果两个物理系统违反贝尔不等式，那么它们就是非经典的，也就是说它们之间存在纠缠。通过对纠缠光子对的测量数据进行分析，我们可以发现它们违反了贝尔不等式，这就证明了它们之间存在着量子纠缠。

六、量子纠缠的应用前景

（一）量子计算

量子纠缠在量子计算中具有至关重要的作用。量子比特可以通过量子纠缠实现相互作用，从而进行复杂的计算操作。与经典计算机相比，量子计算机利用量子纠缠能够同时处理大量的信息，极大地提高计算速度和效率。例如，在解决质因数分解问题上，经典计算机可能需要耗费大量的时间和资源，而量子计算机借助量子纠缠可以在较短的时间内完成。像着名的 Shor 算法就是利用量子纠缠的特性，能够快速地对大整数进行质因数分解。此外，量子纠缠还可以用于量子搜索算法，如 Grover 算法，它能够在未排序的数据库中快速找到特定的条目，比经典搜索算法的效率有了显着提升。据研究显示，量子计算机在某些特定问题上的计算速度可以比经典计算机快几个数量级甚至更多。

（二）量子通信

量子纠缠在量子通信领域有着广阔的应用前景，可以实现安全的通信和加密传输。量子密钥分发是量子通信的重要组成部分，它利用量子纠缠的特性来确保通信的安全性。由于量子纠缠的存在，任何对量子系统的观测都会引起系统的改变，这使得任何试图监听密钥交换过程的行为都会立即被发现。例如，最着名的 qKd 协议是 bb84 协议，它使用量子位作为信息载体，通过量子纠缠和量子叠加原理来确保密钥的安全传输。发送者以随机的基矢发送量子位，接收者在收到后也随机选择基矢进行测量。通过后续的经典通信，双方可以确定哪些基矢是一致的，从而生成一个安全的密钥。此外，量子纠缠还可以用于实现量子隐形传态，在这种技术中，两个纠缠的粒子之间无论相距多远，对其中一个粒子的测量将瞬间影响到另一个粒子的状态，从而实现信息的瞬间传递。这一现象完全超出了经典物理学的解释范畴，为实现高安全性的通信提供了新的途径。

（三）其他领域的应用

量子纠缠在量子传感器、量子精密测量、量子模拟等领域也有着潜在的应用。在量子传感器领域，量子纠缠可以帮助精细感知环境，并以无可比拟的精度进行测量。例如，量子传感器可以测量各种物理量，如磁场、时间、距离、温度、压力、旋转等。当量子粒子与环境中的某些东西相互作用时，由于量子状态对其环境非常敏感，这种特性使得量子传感器能够达到极高的精度。在量子精密测量中，量子纠缠可以突破经典量子极限，实现更高的测量精度。例如，通过量子纠缠态可以提高原子钟的精度，目前的标准时间是由一个铯原子钟决定的，在一亿年内既不会增加也不会减少一秒。而如果原子不是单独工作，而是彼此纠缠在一起，制作的原子钟精度会更高，如麻省理工学院的团队利用纠缠的原子制作的原子钟，在宇宙的年龄上只损失了 100 毫秒。在量子模拟中，量子纠缠可以模拟复杂系统的关联和互动，如量子材料和生物系统。通过控制量子比特之间的纠缠程度，可以实现量子态的精确操控，提高模拟效率，扩展模拟范围。例如，可以利用纠缠态模拟分子的电子结构和动力学，以预测其化学反应性；也可以研究超导性和磁性等凝聚态现象，深入了解材料的特性。还可以将量子纠缠和机器学习技术融合，为量子模拟复杂系统开辟新途径，提高模拟效率。

七、量子纠缠的挑战与未来

（一）量子纠缠带来的挑战

技术难题：尽管量子纠缠在理论上具有巨大的潜力，但在实际应用中仍面临着诸多技术难题。首先，量子纠缠的产生和维持需要极其精确的实验条件，如超低温、高真空和强磁场等。这些条件不仅难以实现，而且对设备的要求极高，增加了实验的成本和难度。其次，量子纠缠的稳定性也是一个问题。由于量子系统容易受到外界环境的干扰，如电磁辐射、温度变化和机械振动等，量子纠缠的状态很容易被破坏。因此，如何提高量子纠缠的稳定性，是量子计算技术面临的一个重要挑战。

测量难题：量子纠缠的测量也是一个难题。由于量子纠缠的状态是不可分割的，对其中一个粒子的测量会立即影响到另一个粒子的状态。因此，如何准确地测量量子纠缠的状态，是量子计算技术面临的另一个挑战。目前，科学家们已经提出了一些测量量子纠缠的方法，如量子态层析、量子纠缠见证和量子纠缠熵等。但是，这些方法都存在着一定的局限性，需要进一步的改进和完善。

理论难题：量子纠缠的理论也存在着一些难题。虽然量子力学已经成功地描述了量子纠缠的现象，但是对于量子纠缠的本质和机制，科学家们仍然没有完全理解。例如，量子纠缠的非局域性是如何产生的？量子纠缠的信息传递是否真的超越了光速？这些问题仍然是量子力学中的未解之谜。因此，如何进一步完善量子力学的理论，以更好地解释量子纠缠的现象，是量子计算技术面临的一个理论挑战。

（二）未来展望

技术突破：尽管量子纠缠面临着诸多挑战，但是科学家们对未来的发展仍然充满信心。随着技术的不断进步，我们有理由相信，未来将会有更多的技术突破，解决目前量子纠缠面临的技术难题。例如，新型的量子材料和器件的研发，可能会提高量子纠缠的稳定性和可操作性；新的测量方法和技术的出现，可能会更加准确地测量量子纠缠的状态；量子力学理论的进一步完善，可能会更好地解释量子纠缠的本质和机制。

应用拓展：量子纠缠的应用前景也非常广阔。除了在量子计算和量子通信领域的应用外，量子纠缠还可能在其他领域发挥重要作用。例如，在量子传感器、量子精密测量和量子模拟等领域，量子纠缠都有着潜在的应用价值。随着技术的不断进步，我们有理由相信，未来将会有更多的应用领域被开拓，为人类的生活带来更多的便利和创新。

跨学科合作：量子纠缠是一个跨学科的研究领域，需要物理学、数学、计算机科学、信息科学等多个学科的共同合作。未来，我们期待看到更多的跨学科合作，共同推动量子纠缠技术的发展。通过跨学科的合作，我们可以充分发挥各个学科的优势，共同解决量子纠缠面临的技术难题和理论难题，为量子纠缠的应用拓展提供更多的可能性。

总之，量子纠缠是一个充满挑战和机遇的研究领域。虽然目前我们还面临着诸多技术难题和理论难题，但是随着技术的不断进步和跨学科合作的不断加强，我们有理由相信，未来将会有更多的技术突破和应用拓展，为人类的生活带来更多的便利和创新。