量子纠缠是什么?

一

量子纠缠是一种令人惊叹的量子力学现象，它描述了两个或多个量子系统之间存在一种特殊的关联，使得它们的状态和测量结果相互影响。这种关联是超距的，不受时间和空间的限制，类似于心灵感应。

在量子力学中，波函数是描述量子系统状态的重要概念。对于两个量子系统A和B，如果它们之间存在纠缠，那么它们的波函数就不能单独描述，而必须用A和B的联合波函数来描述。联合波函数包含了A和B的所有可能状态及其概率幅。这意味着A和B的状态是相互依赖的，一个系统的状态变化会影响另一个系统的状态。

量子纠缠的一个显著特点是，当对其中一个系统进行测量时，它的状态会立即坍缩，从而影响到另一个系统的状态。这种影响是瞬时的，不受距离和时间的限制。即使A和B相隔很远的距离，它们之间的纠缠仍然存在，并且对一个系统的测量会影响另一个系统的状态。

这种超距的、瞬时的关联让人们对量子力学产生了许多关于现实世界的思考。在经典物理学中，物体之间的相互作用被认为是通过实物粒子传递的，并且受限于光速。然而，量子纠缠表明，在量子世界中，两个或多个粒子可以以某种方式紧密地纠缠在一起，即使它们相隔很远，也能立即相互影响。

虽然量子纠缠的机制仍然是一个未解之谜，但它在量子通信和量子计算中有着重要的应用。利用量子纠缠可以实现安全的通信和高效的算法。例如，量子密钥分发（QKD）利用量子纠缠的性质来确保通信双方的安全密钥交换。此外，量子纠缠在量子计算机的算法和纠错方面也有着广泛的应用。通过利用纠缠态的性质，可以开发出更快速、更高效的算法，以及更精确地纠错量子比特中的错误。

总之，量子纠缠是一种令人惊叹的量子力学现象，它描述了两个或多个量子系统之间超距的、瞬时的关联。虽然它的机制仍然是一个谜团，但它在许多领域都有着重要的应用。随着对量子纠缠的研究不断深入，我们有望更好地理解这一神秘的现象，并探索其在未来的应用。无论是在通信、计算技术还是基础研究方面，量子纠缠都有可能为我们揭示更多的奇妙现象和可能性。通过深入研究量子纠缠的特性与机制，我们将能够更好地应用它来解决实际问题，推动科学技术的发展。

二

“这些开创性试验不仅确认了量子力学是正确的还开启了第2次量子革新”

本年诺贝尔物理学奖“花落”量子力学。

北京时刻10月4日17时45分，诺贝尔奖委员会公布了2022年物理学奖获得者：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格，以表彰他们在“羁绊光子试验、确立对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”方面的成就。

2022诺贝尔物理学奖获得者：阿兰·阿斯佩、约翰·克劳泽和安东·塞林格

这两天，“诺贝尔物理学奖、量子羁绊、量子力学”这些名词，也一会儿齐刷刷地登上查找榜，今日，“量子羁绊”更是登上热搜第一。

有的网友在感叹完全看不懂，也有人在尽力给大家解说。

究竟什么是量子羁绊？它与量子力学有什么关系？

2020年，我国量子计算机“九章”问世，200秒就能处理曩昔6亿年的计算，远超谷歌，成国际第一，厉害之处是构建了76个光量子的“量子羁绊”。

民间故事里有个“崂山道士”，他能够穿墙而过，你以为这是骗术？量子力学中，“穿墙术”竟然是真的，叫“量子隧穿”。

这些匪夷所思的概念背面，正是量子力学。

俗话说，“遇事不决，量子力学”，今日，从半导体到核聚变，从光合作用到DNA修复，量子力学是今世前沿科技和国际运转的底层逻辑。

连金融巨鳄索罗斯也把自己的家业叫作“量子基金”。与此一同，从“量子动摇速读”到“量子算命”，从“量子按摩”到“量子治痛经”，许多的“量子+”骗局也大行其道。

量子国际，真的这么神奇吗？

是的，会完全推翻你的传统认知。并且，很有必要来一场“时空络绎”，知晓真量子，辨别假量子。接下来这篇文章是有点烧脑的，咱们不得不进行善意的提示。

假如不信，请看量子论创建者——普朗克在研讨量子前后的对对比，把一个活脱脱的美少男变成了凌乱的毁容大叔。

01鬼魂来了

时光倒流到1900年。 当时，世间万物从银河系的星空，到人类脚下的尘埃，都被牛顿的“万有引力”所征服，安安静静、有条有理地运转着。太阳系海王星的发现，更加固了牛顿力学的坚不可摧。人类已经自信地以为掌控了力、热、光、电、磁等全部自然的规律。 经典物理帝国，进入全盛年代。 1900年4月27日，伦敦天气，乍暖还寒。阿尔伯马尔街皇家研讨所里，国际最有名的科学家们齐聚一堂。76岁的学术泰斗开尔文男爵发言了：“国际运转的全部原理都已经被发现了，物理学一无是处，再也不或许有任何突破性的进展了！But，物理学绚烂无比的天空中还飘浮着两朵乌云——‘以太问题’和‘黑体辐射’，未能得到解说。”气氛开端凝重起来，接下来如黑云压城、城欲摧。 这时，普朗克登场了。且说大学选专业的时分，颇有音乐天分的普朗克，跟导师祖利说：“老师，我想学物理。” 老师说：“别，孩子，学物理不好找工作啊，它盛宴已过，没有空间了，何必浪费时刻在上面呢？”普朗克说：“我便是感兴趣。”老师摇摇头：“哎，去吧，惋惜德意志失去了一位优异的音乐家。” 1900年时，钻研“黑体辐射”多年的普朗克已经42岁，过了不惑之年，还没找到答案。命运开端对他发笑，老师的话一语成谶，普朗克的物理前途似乎真的没多少空间了。 一天，百思不得其解的普朗克，干脆破罐子破摔，心想“我是否先不考虑背面的物理原理，而是在数学上先凑出一个‘黑体辐射’的公式？”所以，普朗克三下五除二，竟然真的蒙出来了！即闻名的黑体方程和神奇的“普朗克常数（h）”。要说这“普朗克常数”有多厉害呢？在整个国际数字中能够排名前3，另两个是牛顿的万有引力常数G和相对论中的光速c。普朗克最重要的思维贡献是指出“能量在发射和吸收时，不是接连的，而是一份一份的”。这又有啥了不起的？你只需知道，该观念推翻了伽利略、牛顿以来，关于全部自然现象是接连不断的论断。从此，不接连、不确定的国际观诞生了。而这一份一份的东西，普朗克称之为：

量子。12月，普朗克发表他的理论成果，好像翻开潘多拉魔盒，释放了“量子”这个熟睡亿万年的鬼魂，“量子力学”正式诞生。开尔文口中的一朵乌云，就这么引发了一场极微观的革新。 可是，此刻的普朗克，并不能解说“一份一份的”能量，意味着什么。 点破天机者，此刻仍是个求职无门的小爱同学，5年后，他左手写出“光电效应”，解说了普朗克的困惑，成为量子论的另一开创者；他右手写出“狭义相对论”，赶跑了开尔文的另一朵乌云，掀起了极微观的革新。（拜见《牛顿啊，请原谅我》） 令人意想不到的是，量子思维是如此之离经叛道，普朗克和爱因斯坦，不久后将变成量子论的坚决反对者，革新者自己成了反革新者！ 更令人意想不到的是，不认可量子规律，将成为爱因斯坦一生最大的“败局”。

20世纪科学上最伟大论争

大家应该读过这么一首英国小诗：“一沙一国际，一花一天堂；双手握无限，刹那是永恒。”人们惊叹此诗的想象力。 但假如你回到1913年，28岁的丹麦青年玻尔大概率会告知你：一沙一国际，这是真的。打个不谨慎的比如，假如把原子这枚粒子，放大10的30次方倍，就相当于一个银河系；一个原子，包含了整个国际，是一个国际的“全息胚”。 这一年，玻尔提出原子结构模型，宣告了量子力学进入“青年年代”，他开创了闻名的“哥本哈根学派”，成为全欧洲的学术中心。玻尔凭此成就，成为了量子界前期“三巨子”：普朗克、爱因斯坦、玻尔。

接下来，玻尔与爱因斯坦的大论争，是几个世纪来科学史上最了不起的论争。 1927年10月底，索尔维会议召开。 “索尔维”的名字你或许没听过，可是爱因斯坦、居里夫人、普朗克、玻尔、薛定谔、海森堡这些人你一定听过，他们都来了。下面这张合影，被称为人类前史上智商最高的一张合影，29人中共有17人获得诺贝尔奖。

1927年索尔维会议合影 他们分为三派： 一，哥本哈根一派，由玻尔领衔，支持者波恩、海森堡、泡利等； 二，爱因斯坦一派，支持者有德布罗意、薛定谔等； 三，试验派，暂且略过。 一群“小将们”就前沿物理问题唇枪舌战、你来我往几个回合之后，没有结论，互不买账。所以，评论很快指向了暗地的实在大佬，爱因斯坦和玻尔的对决。自此往后，这场决斗连续了近30年，若干回合，直至两人先后去世。 来看其间最重要的三次比武。

01第一次比武：爱因斯坦进犯“海森堡不确定性原理”。

“不确定性”是量子国际的实质。假定你站在原子核上，把电子当作月亮，此刻，你眼中的月亮将一同出现在全部方位，并且，月亮以各种速度在一同运动。在微观国际，“月亮”成了一团云雾，被称为“量子叠加态”。所谓叠加态，就好比你在听交响乐，在一组声波中，一同听到几种不同的乐器声。

但这种观念，是对“确定性”和“因果律”的推翻，冲击着爱因斯坦的信条。 一头乱发，掩不住爱因斯坦的自信。现在，他放大招了，用最擅长的招数——“思维试验”。他用绷簧和遮光板规划了一个“单缝试验”，轻松否定了不确定性原理（证明进程略去）。玻尔匆促招集哥本哈根学派的战友，一同吃饭，一同揣摩，预备“三英战吕布”。忽然桌子一拍，“有了，爱因斯坦犯了前提过错。” 便是，你怎么能用微观国际中的绷簧，去进犯微观量子国际的电子呢？爱因斯坦混淆了两个国际不同的运转规律啊。 爱因斯坦先输一回。

02第2次比武：持续进犯“不确定性原理”。爱因斯坦吸取了前次犯低级过错的经验，从头规划了一个“光盒试验”，论证了一同能够测定光子的速度和质量，不确定性仍是错了。 这一招，沉稳老辣。 在回宾馆的路上，爱因斯坦笑容满面，大步流星，而玻尔心惊胆战，萧规曹随，劝说道：“你可不能规划这个试验啊，不然，量子力学可就完蛋了。”（见下图）爱因斯坦说，走着瞧吧。

玻尔匆促招集本派的队友，再次一同吃饭，一同揣摩。憋了一晚，大腿一拍，“有了！你测重需求绷簧弹性吧，依据你的广义相对论，绷簧一上一下，意味着高度不确定，也便是质量不确定，从而时刻不确定。不确定性原理，仍是对的！”玻尔这招叫做“以彼之道，还施彼身。” 爱因斯坦再输一回。

03第三次比武：鬼怪般的超距作用1935年，爱因斯坦等人提出了一个“EPR佯谬”说法。 打个比如，假定爱因斯坦和玻尔两人形成了“量子羁绊”状况，情绪是相反的，玻尔高兴，爱因斯坦必定难过；玻尔难过，爱因斯坦必定很爽。可是他们相距千里，一个在美国，一个在丹麦，假如你问了其间一人，就能瞬间断定另一人的心情好坏，有点像人们常说的“心灵感应”。爱因斯坦说，“这不或许，由于违反了我的相对论，任何物体（信息）都不能超光速，除非世间有‘鬼怪般的超距作用’。”这次，玻尔大腿拍肿了都招架不住，仅有能做的便是供认量子国际是一种逾越空间的存在。直到他去世前，还画着与爱因斯坦的论争试验图。爱因斯坦暂且“赢”了。 由于几十年后，多国科学家（包括我国）用精巧的试验，反复证明了“鬼怪般的超距作用”确实存在！真是见鬼了。随机性和超距作用，是量子力学让人不得不接受的两个硬事实。 爱因斯坦有着严厉的经典国际观，坚持探究国际的本源，以为“天主不掷骰子”；而玻尔反击，“老爱，你不要告知天主该怎么做。”后者是一种“不要问我从哪里来”的国际观。假如请尼采来给两人当裁判，尼采也会宣告：“天主死了。”爱因斯坦，死不瞑目！ 冥冥之中，国际似乎是一个全体，任何一个行动都会当即影响到其他全部的事物，背面这个逾越时刻、空间感知的东西，叫做：“波函数”。有意思的是，写出量子运转波函数的是一位“撸猫”大师，现在，科学上最闻名的“萌宠”要盛大登场了。

薛定谔是谁？ 他是奥地利人，参加过一战，研讨物理，还开创了现代生物化学。他的感情生活和猫一样神秘，沾花惹草，绯闻不断。 不可思议的是，他在1925—1926年的一段长达5个月的婚外情中，创建了“薛定谔动摇方程”。这个方程有多牛呢？在量子力学中，地位相当于牛顿定律在经典力学中的地位，人称“情欲的大迸发”。

薛定谔创建动摇方程之处——赫维格别墅，来历：《天主掷骰子吗？》 有一天，薛定谔在家“撸猫”，竟然撸出了科学史中最好玩的思维试验： 假定把一只猫和一个量子装置关在盒子里。装置里有一个放射性原子和一个毒药瓶。假如原子衰变，就会把毒药瓶打破，把猫毒死；假如它不衰变，毒药瓶就不会破，猫就持续喵喵叫。

来历：《国际探索未解之迷》科普片 翻开盒子之前，由于原子处于衰变和没有衰变的叠加态，猫也处于死猫和活猫的叠加态。要注意的是，“既死、又活”仅仅一种状况，不是两种状况。 这怎么或许？没错，薛定谔也觉得不或许，他本来是用猫来反对前面玻尔一派的，即把微观国际的量子效应给放大到了微观国际，矛盾自现，由于微观中的猫怎么或许“既死、又活”呢？爱因斯坦看到这个试验后，非常高兴，写信给薛定谔说：“猫……以最优雅的方法驳斥了哥本哈根解说。”这一次，让玻尔够扎心的。 “悲惨剧”的是，几十年后的科学试验证明量子国际中，像“薛定谔的猫”这样的东西是存在的！所以，哥根本哈根学派仍是干流。 爱因斯坦，又一次“死不瞑目”。 猫究竟是死是活呢？翻开盒子“测量”才知道。当你翻开盒子的一刹那，“既死、又活”的状况就消失了，变成了或许死、或许活，全部回归正常，这个进程叫“波函数坍缩”。这个观念是不是有点熟？没错，我国先哲王阳明早就说过：“你未看此花时，此花与汝心同归于寂。你来看此花时，则此花色彩一时明白起来”，看来，咱们老王也摸到了量子力学啊。现在，薛定谔的猫在群众中的人气一路飙升，成为“全能挭”、撩妹“神器”和量子力学代名词。它还与芝诺的龟、巴甫洛夫的狗、莎士比亚的猴、洛伦兹的蝴蝶、拉普拉斯的兽、麦克斯韦的妖，并称“科学界7大神兽”。

现代科学甚至科幻中许多好玩的概念都能够从“薛定谔的猫”动身。 比如：平行国际。“平行国际”理论解说：翻开盒子的那一刹那，国际分裂了，成了两个不同的国际。其间一个国际中的你，看见了活猫；另一个国际中的另一个你，猎奇害死猫。两种或许五五开。很多个你，活在很多平行国际里，阅历着不一样的人生。

不可思议的是，平行国际可不是猜测，它有严厉的数学证明来成立！ 再比如：量子计算机咱们知道，传统计算机的根底逻辑是二进制，要么是0，要么是1。可是，量子国际里，把光子做成“薛定谔猫态”，转变为“既是0，又是1”等多种叠加态，这有什么优点呢？ 举个例子，现在，陆逊要破解诸葛卧龙的“八阵图”，假如他对“休、生、伤、杜、景、死、惊、开”八门一个个地试，要迷住很久才干解出来。但假如他像孙悟空一样兼顾叠加，每一个岔道都派一个兼顾一同去，只需求一次，就能找到出口，卧龙先生根本抵挡不住。这叫做量子叠加态的“并行”计算，大大提升战役效率。所以我国的“九章”能将6亿年的计算缩短到200秒。量子，正在重构国际运转的底层逻辑。

04文明若毁，人类该留什么话？

猫活着，仍是死去？这是个问题。 死后在这里，仍是那里？这也是个问题。 跟薛定谔一个等级的量子学家海森堡，他写下了这样的墓志铭：“我长眠于此，但我已在别处。”这便是量子论，国际充满了不确定性。到了20世纪下半叶，现代量子力学的领军人物费曼提出一个更大胆的问题：假如文明将消灭，人类该留下一句什么话？这句话要尽或许简练，也要包含尽或许多的信息，后来者才干重造文明。费曼说，这句话应该是“万物由原子组成”。怎么理解呢？1986年，大卫·科波菲尔来到北京扮演穿长城。凭借幕布遮挡，他从长城的一边钻到另一边，上演了实在版的“崂山道士”，但这仅仅投影原理和视觉盲区的魔术，不是量子力学。

“穿”长城实际中，你在电梯里接听手机，电话很简单掉线，或许只要弱小的信号。这是由于电梯四周屏蔽了电磁波的信号，但这种屏蔽并不完全，仍是“放”了一丢丢信号进来，这是电磁波的“穿墙术”。进入量子国际。现在，两个带正电的原子核，之间因排斥力形成了一道无形的“墙”，本来，在强烈的磕碰下，才干打破“墙”，产生核聚变；实际上，由于“量子隧穿”效应，在动能缺乏、温度不高、概率极小的情况下，原子核发挥“穿墙术”，核聚变也能产生。

所以，才有了太阳发光发热，哺育了世间万物。从水的形成，到光合作用，再到生命诞生，越来越多的自然现象，刨根问底下去，就一定会刨到量子力学。

那人究竟能否穿墙？ 依据薛定谔方程求解，理论上是能够“隧穿”的，但概率极低、极低、极低，他需求一刻不停地去撞墙，撞啊、撞啊、撞啊，从国际大爆炸之初撞到2022年，也很难撞出奇迹。 一个终极问题，国际的来源是什么？同样离不开量子力学。 坐在轮椅上的“爱因斯坦”——霍金说，国际开端之前，处于一个“量子叠加态”，它能够演变成很多种前史。忽然，国际的“波函数坍缩”了，时刻开端，暴胀产生。咱们所在的国际，仅仅国际很多或许的中的一个罢了。 干流的国际“暴胀理论”以为，宽广的真空中，量子涨落的一次偶尔隧穿，让国际诞生之初阅历一次超级猛烈的膨胀。

：COBE卫星观测到的“国际微波布景辐射”分布图，称之为“天主脸上的皱纹”。这项发现获得了2006年诺贝尔物理学奖，证明了国际大爆炸理论成立。 量子力学，能够“无”中生有。 可是，为什么咱们日常看不到量子现象？科学试验已经发现，“薛定谔的猫”真的有叠加态，人也会有叠加态，仅仅产生了极快的“退相干”，你出现的是粒子特征，动摇特征消失了。所以“九章”量子计算机这样的微观使用，关键一步便是避免“退相干”产生，要在严厉的环境下“保鲜”才行。也许，量子国际的许多怪异行为才是实在的日常，咱们确实生活在一个不确定性的国际中。爱因斯坦说，“理论决定了你能观察到什么”。可怕的是，量子力学有十几种解说，国际只要一个本相，仍是有很多个本相？本文的每一句话，或许都不是本相。 走运的是，通过这次“量子”之旅，下次见到市面上什么“量子动摇速读”之类的伎俩，你就不会觉得多么玄幻、多么高端了，这简直是凌辱智商啊，薛定谔的猫也会死不瞑目的！