量子为什么会发生纠缠？深层解读量子纠缠的本质

相信很多人都听说过量子纠缠，堪称量子世界最诡异的现象，甚至没有之一，也是这个世界上最奇妙的事情。事实上量子纠缠也很美，而且，越了解量子纠缠，就会发现它越美。

那么，什么是量子纠缠呢？

物理学是这样定义的：当多个粒子发生作用之后，单个粒子拥有的特性会综合成为整体属性，于是就无法描述单个粒子的性质，只能描述整体性质。

量子纠缠现象只会发生在量子世界里，在宏观世界是没有这种现象的。

如果我们测量纠缠中粒子的某些物理属性，比如说动量，位置，自旋等，其他粒子就会出现关联现象。

举个例子，我们假设一个零自旋的粒子，衰变为两个粒子，这两个粒子以相反方向移动分离。如果我们测量其中一个粒子，发现自旋方向为上旋，那么另一个粒子的自旋方向必定是下旋。反之亦然。

还有一点，还会出现看似矛盾的现象：当我们测量其中一个粒子时，另一个粒子好像早就知道了我们要测量，并且知道测量结果，瞬间做出相应的改变来呼应测量的粒子。科学家并没有发现任何信息传递的机制，而且不管两个粒子相距多远，哪怕数光年之外，也能瞬间感应到对方。

如何理解量子纠缠这种看似不合理的现象呢？首先我们需要明白几点。

第一，量子纠缠只会发生在量子世界，在我们的宏观世界里是不会出现的。起码目前科学家们并没有在宏观世界里发现量子纠缠现象。

第二，量子纠缠必须发生在两个或两个以上的量子系统里，系统就代表着整体，也就是说，我们只要谈到量子纠缠，一定是一个整体。

第三，就是很多人关心的距离问题。理论上量子纠缠的距离不受限制，也就是说可以很远很远。但实际上很难做到这点，因为纠缠中的粒子受到任何形式的扰动，都会让纠缠态消失，而扰动本身就相当于观察。而宇宙中充满了各种物质和能量，它们都可能会“观测”纠缠中的粒子。

科学家们曾经做过很多量子纠缠的实验。比如说，我国著名科学家潘建伟，早在2005年就带领团队做过量子纠缠实验，实验地点是合肥，在相距13公里的自由空间里验证了量子纠缠的可行性。

2007年，清华大学和中国科学技术大学联合进行了自由空间量子信道实验，长度达到了16公里。而两年后的2009年，终于实现了世界最远距离的量子隐形态传输。同时也验证了这种隐形态传输可以穿越大气层，这个发现为未来的全球化量子通信网奠定了坚实的基础。

研究成果发表在著名杂志《自然》上，引起了很大关注。

不过，从实验结果来看，量子隐形态传输的距离要求是很高的，现实中很难实现远距离传输，从实验的距离13公里和16公里就能看出来。现实中要让两个相距数光年远的粒子发生纠缠，几乎不可能。

只有排除所有的干扰，才能让相距很远的粒子发生纠缠，否则任何干扰都会让量子纠缠太解除，而现实中我们根本无法排除所有的干扰。

所以，量子纠缠发生的系统其实会受到很大限制，不是随便就能出现量子纠缠。比如说，你我两人分别拿一个手电筒，打开手电筒之后，光子之前就相互纠缠了，这种想法太简单了，是不可能的。

不过，随着人类科学的发展，科学家已经能让距离更远的粒子仍然保持纠缠状态。比如说，在2017年，我国的墨子号量子实验卫星首次做到了这一点：把纠缠中的光子分发到相距1200公里之后，仍能保持量子纠缠的状态。

看到这里，你可能有很多疑问：相距1200公里也能保持量子纠缠状态，是不是表明光子超光速了，难道相对论错了吗？该如何理解量子纠缠中的“超光速”现象呢？

还有，基于量子纠缠而创建的量子密码学为什么会如此安全，到底是如何运作的呢？

首先，量子纠缠看起来好像是超光速了，但其实并不是真正意义上的超光速，并没有违反相对论，因为量子纠缠过程中并没有传递任何信息。

可以这么通俗理解量子纠缠：纠缠中的粒子表现出来的是整体性质，也就是说它们是在一个波函数下的状态，而理论上波函数可以覆盖任何地方，甚至是全宇宙，如此一来就和距离没有关系了。

用一种宏观现象去理解量子纠缠的状态，就是“跷跷板”。比如说，你和我一起玩跷跷板，当我们两人坐在跷跷板上时，就有了“纠缠”的关联状态。你向下，我必然就会向上，反之亦然。

你我之间的作用是超距或者说是超光速完成的吗？并不是，因为你和我已经属于一个整体，与我们之间的距离无关。

还有一个很关键的问题：量子纠缠的本质到底是什么，也就是说，量子之间为什么会发生纠缠？

开头也说了，量子纠缠描述的是一个系统的整体属性，整体系统是由几个纠缠中的子系统组成的，整体系统具有某些物理性质，而子系统并不能私自拥有这种物理性质，只能描述整体系统的性质。

也就是说，整体性质具有“不可分性”。这种不可分性与空间无关，于是我们就能将几个子系统分开，相距很远也能体现出纠缠的特性。

这就像刚才所说的“跷跷板”，跷跷板就是一个整体系统，我们只能描述跷跷板的整体系统，跷跷板上的你和我不管相距多远，都有关联性，你和我都不能拥有自己独立的物理属性。

那么，量子纠缠的系统到底是什么呢？应该是一种场，准确来讲，是电磁场，这也是量子纠缠的机制。

宇宙中充满了各种场，比如说电磁场，而场的运动就可以形成波，比如说，光是一种电磁波，也可以认为是运动的电磁场，受到扰动的电磁场。

而理论上，场的辐射范围是无限远的，这也表明纠缠中的粒子即便距离无限远，也会表现出纠缠态。但现实中很难做到这一点，因为场的强度与距离息息相关吗，距离越远场的强度越弱。

加上量子纠缠机制本身就很敏感，随着场强度的变弱，纠缠中的粒子就更容易受到干扰，从而让纠缠态解除。

总之，还是那句话，纠缠中的粒子是用一个波函数描述的，纠缠中的两个或多个粒子是一个整体，我们测量纠缠中的粒子时，它们不能同时处于同一种状态，所以会出现比如说一个自旋向上，一个自旋向下的情况。