第25章 量子纠缠25（1 / 2）

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