中国物理学家在量子纠缠实验中，创纪录的成功缠结8个光子

你是否曾经想过，如果你和你的朋友分别在地球的两端，你们之间是否还能保持联系？你是否曾经想过，如果你能够瞬间将你的思想或信息传送给你的朋友，而不需要任何中介或信号，那会是什么样的感觉？你是否曾经想过，如果你能够利用这种超距的联系，实现一些不可思议的事情，比如安全的通信、快速的计算、精确的测量，甚至是时间旅行，那会是什么样的世界？

这些听起来像是科幻小说或电影中的情节，但在量子物理学的世界里，它们却是真实存在的。量子物理学是物理学的一个分支，它描述了原子和亚原子领域的粒子行为。量子物理学的一个最奇妙的现象就是量子纠缠，它指的是两个或多个粒子之间形成了一种特殊的联系，使得它们的物理状态无法单独描述，而必须作为一个整体来考虑。这种联系不受空间和时间的限制，即使将这些粒子分隔到很远的地方，它们仍然能够瞬间感知彼此的变化，并保持一致。

量子纠缠的存在挑战了我们对于现实的常识，甚至让爱因斯坦这样的物理巨匠都感到困惑和不满。他曾经把量子纠缠称为“鬼魅般的超距作用”，并认为这是量子力学的不完备性的表现。然而，无数的实验已经证明了量子纠缠的真实性，而且还发现了更多的纠缠粒子的组合。

通过量子纠缠效应，可以实现多个粒子跨越任意大的距离，共享相关特性，并在瞬间就位。例如，一对位于不同位置的纠缠光子可能通过它们的偏振连接在一起，偏振是描述光波振荡方向的一种特性。测量一个光子的偏振，另一个光子的偏振就会立即呈现相同的值。换句话说，这两个光子要么都是水平偏振的，要么都是垂直偏振的，但在测量其中一个之前，它们的偏振值都不确定。

爱因斯坦曾将量子纠缠是 “超距作用”。他在 1935 年写道：“任何合理的现实定义都不可能允许这种情况发生”。不管合理与否，纠缠似乎确实是现实的一部分，无数实验已经证明了这一点。

量子纠缠的最早实验是由美国物理学家约翰·克劳瑟和斯图尔特·弗里德曼在1972年进行的，他们利用光的偏振首次成功地完成了贝尔实验，验证了量子纠缠的存在，并排除了隐变量的可能。隐变量是一种假设，认为量子系统的状态是由一些未知的局部变量决定的，而不是由量子力学的概率性描述的。贝尔实验是一种检验隐变量的方法，它利用了一些不等式，来限制隐变量理论的预测，然后与量子力学的预测进行比较。如果实验结果违反了贝尔不等式，那么就说明隐变量理论是错误的，而量子力学是正确的。克劳瑟和弗里德曼的实验就是这样做的，他们发现了违反贝尔不等式的现象，从而证明了量子纠缠的真实性。

基于上面实验，物理学家通常会为每一对成功纠缠的粒子产生大量光子。随着数量的增加，产生多对纠缠光子的难度也呈指数增长。如今，量子纠缠的最大记录是由中国科学技术大学的姚星灿和他的同事在2023年创造的，他们纠缠了不是一对而是四对光子，将八个光子的偏振连接起来，扩大了之前最多纠缠六个光子的实验范围。

姚星灿和他在中国科学技术大学的同事计算出，如果他们简单地扩展先前的六光子实验，再加入一对纠缠光子，那么产生一组八光子纠缠光子大约需要 10 个小时的实验时间。(物理学家通过运行需要大量光子样本的统计测试来验证纠缠的存在，因此需要数小时才能产生一个纠缠态的实验是不切实际的）。

有了 "明亮 "的纠缠光子源，研究人员就能以更高的频率产生四个相互纠缠的光子对。他们报告说，他们以每小时约九组的速度检测到了数百组纠缠光子，这足以进行必要的统计测试，以验证所有八个光子确实在量子水平上相互关联。

他们使用了一种光学方案，它能过滤掉较少的光子，从而提高纠缠光子的输出。他们以每小时约九组的速度检测到了数百组纠缠光子，这足以进行必要的统计测试，以验证所有八个光子确实在量子水平上相互关联。这一成果为实现更高维度的量子信息处理和量子计算提供了可能。

量子纠缠的最远距离是由中国的墨子号量子卫星和地面站点之间实现的，他们在2017年成功地在1200公里的距离上传送了纠缠光子，打破了之前100公里的纪录，为量子通信和量子网络的发展奠定了基础。墨子号量子卫星是世界上第一颗量子科学实验卫星，它利用了空间的低损耗和低干扰的优势，实现了空间和地面之间的量子纠缠分发和量子隐形传态。这一壮举被誉为量子物理学的“登月计划”。

墨子号最有趣应用之一是量子隐形传态，它是一种利用纠缠光子将一个未知的量子态从一个地点传送到另一个地点的方法，而不需要物理上的传输介质。这种方法可以用于量子加密通信，实现绝对的安全性和保密性。量子隐形传态的原理是利用纠缠光子之间的量子关联，将一个光子的量子态通过测量和经典信号的传输，转移到另一个光子上，而不需要知道或复制原始光子的量子态。这种方法可以避免量子克隆定理的限制，量子克隆定理是一种定理，它表明任何未知的量子态都不能被完美地复制。