量子纠缠的原理是什么？我们可以利用量子纠缠来做什么？

量子纠缠的标准定义是：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。

比如零自旋中性π介子衰变成一个电子与一个正电子，二者动量相同，自旋方向相反。如果测量电子旋向，就可以知道反电子的旋向；如果反电子速率和旋向改变，电子的速率和旋向也同时改变。更加不可思议的是，不管它们相距多远，甚至相隔着整个银河系，这种纠缠现象一直存在，就像两个粒子存在心灵感应一样。

相隔数千光年的距离，也存在量子纠缠现象

下面我们就由表及里，从现象到本质来分析一下量子纠缠。

1935年，爱因斯坦、罗森、波多尔斯基提出EPR佯谬，提出量子纠缠的概念，随后薛定谔正式为之命名为“量子纠缠”，对于量子纠缠可能违反了相对论中对于信息传递所设定的光速上限，爱因斯坦幽默的称量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”。

2017年，中国"墨子号"量子卫星成功实验，两个量子纠缠光子被分发到相距超过1200公里的距离后，仍可继续保持其量子纠缠的状态。2023年，中国科学技术大学的潘建伟院士等人，使用光晶格中束缚的超冷原子，人工制造出多原子纠缠态。

纠缠态的粒子，自旋方向总是相反

从经典量子力学理论上来分析，如果不存在量子纠缠效应，那么从守恒定律可以预测两个粒子各自的位置与动量，这违反了不确定性原理。正是由于量子纠缠效应，粒子的位置与动量遵守不确定性原理。上面的电子和反电子之所以被观察到自旋方向相反，正是因为我们去测量了粒子，这就造成了测量坍塌，即改变了粒子运动状态；只要我们不去测量粒子，虽然不能确定它们的位置和动量，但是不会干扰粒子的量子态而造成坍塌。这就是量子力学著名的退相干原理和测不准原理。

从数学模型上分析，具有量子纠缠的电子1和电子2（即下式中的下标1、2）的纠缠态可以通过下面公式表示：

Φ=（ |00〉12 + |11〉12 ）/ sqrt(2)

=（ |0〉1 ⊗ |0〉2 + |1〉1 ⊗

|1〉 2 ）/ sqrt(2)

符号Φ为纠缠粒子的整体向量，符号⊗为张量积运算符，|0〉表示粒子Z方向为上旋量态，|1〉表示粒子Z方向为下旋量子态，测量电子的量子态为无非是|0〉和|1〉两种，sqrt为平方根算符。如果测量电子，电子的状态坍塌为|0〉时，那我们测量到反电子的状态也一定坍塌为|0〉。

只有非纠缠状态下的量子才使用

公式|Φ〉1 ⊗ |Φ〉2，其意义即 |00〉、|01〉、|10〉、|11〉四个量子态下的概率均为1/4。

量子纠缠中粒子之间传递信息的速度，被认为是超光速的

哪些情况下会产生量子纠缠？必须满足以下三个条件：

1- 量子必须有一个共同的时间引力参考系，比如同一规范场的全同粒子之间才能产生量子纠缠，全同粒子包括全部电子，全部夸克，全部质子………等等。

2- 量子必须共同处于叠加态，即两个粒子的波函数是可以叠加的，道理和声波、水波的叠加是一样的。

两个粒子共用一个波函数，波形叠加在一起

3- 量子有一个共同的纵深螺旋扩张、浮游螺旋收缩旋转跃迁的轨道。见下两图详述。

纵深螺旋线的形状向像旋转楼梯一样，粒子就是这样绕其作用场中心进行渐进运动的

粒子波形的浮游螺旋收缩的形状，是粒子的三维运动轨迹

由此可见，要实现量子纠缠并不是很容易办到的。除了夸克的自然衰变之外，当然还可以通过人工方式实现量子纠缠，比如一束紫外激光被发射到一种特殊的晶体，该晶体会释放一对偏振方向相反的纠缠光子。

处于纠缠态的粒子除了自旋方向不同之外，也可以是偏振方向不同，自旋和偏振都是用来描述粒子波粒二象性的基本信息。

量子纠缠产生的原因有以下三种解释：

1- 纠缠态的两个或多个粒子实际上共享一个波函数，拥有完全相同的波形，因此可以粒子之间可以瞬间“感应”对方的改变而随之改变，而且有部分观点认为这种同步感应的现象是超光速实现的。根据不确定性原则，粒子可能出现在任何位置，因此它们之间的信息传递是不需要时间的。

纠缠中的粒子共享一个波形，信息自然是同步的，也不需要传递时间

2- 纠缠态的粒子实际上是在多宇宙的镜像投影，即一个粒子是另一个粒子从高维度向低维度的投影，而每个宇宙都拥有不同的参考系，我们必须从多宇宙同时观察才能知道粒子状态的同步改变。该理论还是比较烧脑的。

两个粒子是处于不同的宇宙的镜像投影

3- 纠缠粒子符合“跷跷板”效应。比如两个人一起玩跷跷板，当甲乙两人坐在跷跷板上时，就有了“纠缠”的关联状态。甲向下，乙就会向上，反之亦然。根据该理论，纠缠中的粒子自然就会一直呈现出对称状态。

不论哪种解释，都不能通过实验的有效观察来解释量子纠缠产生的确切原因。但是有一点是完全确定的，即纠缠粒子是同一系统中的，必须整体分析而不能单独分开进行独立的分析。

但是幸运的是，量子纠缠只存在于微观的量子世界，一旦过渡到宏观世界就不再存在纠缠态，就像作为整体的人，双胞胎就不会存在这种超距离的感应。

人作为整体，不会产生量子纠缠

通过量子纠缠效应，人类已经开发出量子隐形传输、量子密钥分发、量子计算、量子传感器、量子电路……等应用科学技术。量子隐形传输即利用量子纠缠进行远距离传输，不需要任何载体的携带，是一种全新的通信方式。量子密钥分发是通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥，来加密和解密消息，任何量子系统的测量都会对系统产生干扰，因此具有防窃听的功能。量子计算机装置遵循量子计算的基本理论，处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法。基于量子传感器制造的干涉仪是探测引力波的重要设备。

LIGO引力波探测器，就是基于量子纠缠原理制造的，通过此装置已经成功的探测到引力波

至于未来，我们以量子通信技术为例，比如太空探测器已经飞离银河系，距离地球一千光年之遥，那么它在太空中搜集到的信息通过电磁波传回地球需要一千年的时间。如果探测器和地球的多个粒子处于纠缠状态，那么探测器中粒子的无数0和1状态的量子比特信息可以瞬间传递到地球，我们可以实况转播其它星系的盛景，地球上的我们通过同步信号探寻到数万光年之外的外星生命，将不再是遥不可及的梦想。

通过量子纠缠，地球可以同时收到若干光年之外太空探测器传来的行星画面

再比如利用多粒子的纠缠原理，在今后，人发出的脑电波通过随身携带的计算机转换成量子信号后，可以控制另一台计算机的信息，或者由大脑直接控制计算机的信息。就是人可以通过意识控制智能机器，思想所至可以产生行为。那么反过来呢？计算机也可以通过相同的方式控制人的思考和行为，所以霍金预言：计算机在一百年内将控制人类。

智能机器会控制人类吗？还是人类会用思维控制机器？

头几年还出现过量子纠缠远程治疗的网络骗局，买个简易仪器就可以实现远距离治疗疾病了。其实这种骗局很低级，其实要实现发射端和接收端多个量子的纠缠态是十分复杂的，更不要说与人体内的粒子形成共振的纠缠态了，科学家提出的该技术还在理论探索阶段，离实际应用还十分遥远。

量子纠缠远程治疗目前还是构想阶段

梦想总比现实美好，实际上量子纠缠的信息远距离传输，极容易受到外部粒子的干扰，即纠缠态的量子是不稳定的，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，观察也是扰动的形式之一。我们所处的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。因此将来的道路还很漫长，但是我们有理由对未来充满憧憬。

旅游时拍的，西湖断桥夜景