量子世界中的神奇现象——量子纠缠

2015年英国《自然》杂志发表了一篇文章称荷兰一个研究组做了一项实验，

Shift+enter 证明了“量子纠缠”现象的存在。由荷兰科学家HANSON领导的这个实验——一次里程碑式的“无漏洞贝尔实验”，再次证明了曾经被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”的量子纠缠是正确的。量子纠缠是量子体系的特有现象，1935年，由A.EINSTEIN，B.PODOLSKY和N.ROSEN提出。针对这一令人惊异的现象，E.SCHRSDINGER指出，描述EPR粒子对的态是一种“纠缠态”(EATANGLED STATE)，其中存在纠缠现象(ENTANGLEMENT）。

纠缠是关于量子力学理论最著名的预测，它描述了两个粒子互相纠缠，即使相距遥远距离，一个粒子的行为将会影响另一个的状态 。当其中一颗被操作（例如量子测量）而状态发生变化，另一颗也会即刻发生相应的状态变化。《荷兰科学家证实量子纠缠：物质远隔万里却相互作用》报道：荷兰代尔夫特理工大学的科学家们把两颗钻石分别放在代尔夫特理工大学校园内的两侧，距离1.3公里。每块儿钻石含有一个可以俘获单个电子的微小空间，此空间具有一种称为“自旋”的磁性，然后用微波和激光能的脉冲来纠缠，并测量电子的“自旋”。校园的两侧设有探测器，两个电子之间的距离确保做测量的同时，信息无法以传统的方式交换。

量子纠缠体现了多个量子系统间存在非经典的强关联和非定域性，是作为将量子理论和经典理论区别开来的一个显著特征，并且量子纠缠可在不同量子系统间可控地产生。近年来，随着量子信息技术的发展，纠缠态作为一种物理资源，在量子信息的各方面，如量子隐形传态、量子密钥分配、量子计算等都起着重要作用[2]。2012年，中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定技术基础。国际权威学术期刊《自然》杂志8月9日重点介绍了该成果。“在高损耗的地面成功传输100公里，意味着在低损耗的太空传输距离将可以达到1000公里以上，基本上解决量子通讯卫星的远距离信息传输问题。”研究组成员彭承志介绍说，量子通讯卫星核心技术的突破，也表明未来构建全球量子通信网络具备技术可行性。8月9日，国际权威学术期刊《自然》杂志重点介绍了这一成果，代表其获得了国际学术界的普遍认可。《自然》杂志称其“有望成为远距离量子通信的里程碑”、“通向全球化量子网络”。

量子信息处理与经典信息处理的本质区别在于用到了物体的量子力学性质，正如薛定谔认为量子纠缠是量子力学区别于经典力学的本质特性一样，量子纠缠是量子信息处理的关键, 是许多量子信息处理过程所必不可少的。如在量子隐形传态中，利用一对分别处于甲地与乙地的纠缠粒子，可以把一个未知量子态(不是处于该态的粒子本身)从甲地传到乙地。利用两个量子比特间的纠缠, 也可以做到只发送一个量子比特，而输送两个经典比特的信息量[3]。由于量子纠缠在量子力学基本问题、量子计算、量子信息处理等方面起的关键作用，量子纠缠理论的研究有着重要的意义。

然而，受实验条件限制和不可避免的环境噪声的影响，制备出来的纠缠态并非都是最大纠缠态:另一方面，纯纠缠态受环境的消相干作用也会退化成为混合态。使用这种混合纠缠态进行量子通信和量子计算将会导致信息失真。为达到更好的量子通信或量子计算效果，需要通过纠缠纯化技术将混合纠缠态纯化成纯纠缠态或者接近纯纠缠态。因此，如何提纯高品质的量子纠缠态是量子信息研究中的重要课题。