一文搞懂“量子纠缠”

中国民间故事里有个“崂山道士”，他可以穿墙而过，你以为这是骗术？

据说，这面墙就是崂山道士修炼穿墙术的地方!

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后，正是量子力学。

而量子纠缠，是一种量子力学的现象之一。

搞懂量子纠缠之前，必须搞清楚量子是什么东东？

各位，先让我们先了解一下量子论创立者——普朗克（1858年—1947年)吧。

普朗克在研究量子前后的对比照，把一个活脱脱的美少男变成了凌乱的毁容大叔。

你如果不想毁容，或者不想神经错乱，就此打住！

不过你的好奇战胜了你，请继续看——

“一花一世界，一叶一菩提”，原文应是：一花一世界，一叶一如来。

这里用菩提代指了如来。出自《华严经》。

还有一首英国小诗：“一沙一世界，一花一天堂”。

人们惊叹此诗的想象力。

其实，这些都是真的！

不过，不是周山小编说的，我说的你也不信。

1913年，28岁的丹麦青年玻尔告诉你：一沙一世界，这是真的。

打个不严谨的比方，如果把原子这枚粒子，放大10的30次方倍，就相当于一个银河系；一个原子，包含了整个宇宙，是一个宇宙的“全息胚”。

这一年，玻尔提出原子构造模型，宣告了量子力学进入“青年时代”，他开创了著名的“哥本哈根学派”，成为全欧洲的学术中心。玻尔凭此成就，成为了量子界早期“三巨头”：普朗克、爱因斯坦、玻尔。

接下来，玻尔与爱因斯坦的大论战，是几个世纪来科学史上最了不起的论战。 1927年，索尔维会议召开。 “索尔维”的名字你可能没听过，但是爱因斯坦、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。下面这张大神级的合影，被称为人类历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，实验派，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。于是，讨论很快指向了幕后的真正大佬，爱因斯坦和玻尔的对决。

1935年，爱因斯坦等人针对量子力学理论提出了一个“EPR佯谬”说法。

打个比方，假定爱因斯坦和玻尔两人形成了“量子纠缠”状态，情绪是相反的，玻尔开心，爱因斯坦肯定难受；玻尔难受，爱因斯坦肯定很爽。但是他们相距千里，一个在美国，一个在丹麦，如果你问了其中一人，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，“这不可能，因为违反了我的相对论，任何物体（信息）都不能超光速，除非世间有‘鬼魅般的超距作用’。”这次，玻尔大腿拍肿了都招架不住，唯一能做的就是承认量子世界是一种超越空间的存在。直到他去世前，还画着与爱因斯坦的论战实验图。爱因斯坦暂且“赢”了。 因为几十年后，多国科学家（包括中国）用精巧的实验，反复证明了“鬼魅般的超距作用”的确存在！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。 爱因斯坦有着严格的经典世界观，坚持探究世界的本源，认为“上帝不掷骰子”；而玻尔反击，“老爱，你不要告诉上帝该怎么做。”后者是一种“不要问我从哪里来”的世界观。如果请尼采来给两人当裁判，尼采也会宣布：“上帝死了。”爱因斯坦，死不瞑目！ 冥冥之中，宇宙似乎是一个整体，任何一个行动都会立即影响到其他所有的事物，背后这个超越时间、空间感知的东西，叫做：“波函数”。有意思的是，写出量子运行波函数的是一位“撸猫”大师，现在，科学上最著名的“萌宠”要隆重登场了。

薛定谔在1925—1926年的一段长达5个月的婚外情中，创立了“薛定谔波动方程”。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“情欲的大爆发”。

有一天，薛定谔在家“撸猫”，竟然撸出了科学史中最好玩的思想实验： 假设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。如果原子衰变，就会把毒药瓶打破，把猫毒死；如果它不衰变，毒药瓶就不会破，猫就继续喵喵叫。猫到底是死是活呢？打开盒子“测量”才知道。当你打开盒子的一刹那，“既死、又活”的状态就消失了，变成了或者死、或者活，一切回归正常，这个过程叫“波函数坍缩”。这个观念是不是有点熟？没错，中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，则此花颜色一时明白起来”，看来，我们老王也摸到了量子力学啊。

扯了这么多量子力学的经典故事，现在应该言归正传了。

那人到底能不能穿墙？

根据薛定谔方程求解，理论上是可以“隧穿”的，但概率极低、极低、极低，他需要一刻不停地去撞墙，撞啊、撞啊、撞啊，从宇宙大爆炸之初撞到2022年，也很难撞出奇迹。 一个终极问题，宇宙的起源是什么？同样离不开量子力学。 坐在轮椅上的“爱因斯坦”——霍金说，宇宙开始之前，处于一个“量子叠加态”，它可以演变成无数种历史。突然，宇宙的“波函数坍缩”了，时间开始，暴胀发生。我们所在的宇宙，只是宇宙无数可能的中的一个而已。 主流的宇宙“暴胀理论”认为，广阔的真空中，量子涨落的一次偶然隧穿，让宇宙诞生之初经历一次超级猛烈的膨胀。

现在可以解释一下“量子纠缠”了。

量子纠缠是一种量子力学现象 ，它指的是处于纠缠状态的两个量子，不论相隔多远，都会存在一种关联，其中一个量子状态发生了改变，另一个量子的状态也会瞬时发生相应改变，无视空间的限制。

如果用尽量专业的术语来描述“量子纠缠”，应该是这样：

在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子纠缠。

量子纠缠跟心灵感应有一些相似之处，相信很多朋友都听说过，一些双胞胎存在心灵感应，二者之间处在不同的城市，一个受伤了，另一个也能够瞬间感应到，有科学家认为，心灵感应有可能也是一种量子纠缠现象。

2022年的诺贝尔物理学奖已经发布，得到这个奖项的是三名科学家，分别是法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格。

这三名科学家的研究方向都是相同的，那就是量子纠缠，诺奖发给他们，也是表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所做出的贡献。

人类已经发现了量子纠缠的一些奥秘，未来的方向就是将发现应用到现实，研究出一些科技产品，例如：量子计算机，量子加密通信，量子网络等。

举个例子，比如星际探索，以我们现有的无线通讯，一次通讯少则几年，多则可能数十年，数百年，这完全不利于星际探索。我们需要更高级别的无线通讯模式，以量子纠缠研究的量子通信无疑非常好，它可以做到无视距离，即使星际飞船距离地球有数光年，数十光年远，也可以做到即时通讯，对于人类探索研究有着重要的意义。

2016年12月，从中国科学技术大学获悉，潘建伟院士及同事陆朝阳、陈宇翱等近期在量子信息科研领域再获重大突破，他们通过两种不同的方法制备了综合性能最优的纠缠光子源，首次成功实现"十光子纠缠"，再次刷新了光子纠缠态制备的世界纪录。

2017年6月15日公布，中国量子科学实验卫星"墨子号"迎来了第一项重大成果，率先成功实现"千公里级"的星地双向量子纠缠分发，打破了此前国际上保持多年的"百公里级"纪录。

2018年2月，中国实现星地千公里级量子纠缠和密钥分发及隐形传态，荣获科技部2017年度中国科学十大进展。