“量子纠缠”到底是啥啊？用一个比喻讲明白

相信各位都戴过成双成对的手套吧？

寒冷的冬天，出门前哆哆嗦嗦翻出一只手套——只有左手，右手不见了。你心里几乎立刻就有了判断：掉在抽屉边、衣柜的角落里，不知道跑到哪里去了的那只，大概率就是右手。

于是你翻箱倒柜找了半天，最后果然在衣柜的角落里发现了它。拿起来一看，没错，是右手。

“量子纠缠”就像一对“纠缠手套”。图源：作者 AI 生成

这一刻，你和那只“失踪手套”之间，好像完成了一次跨越空间的默契。不需要打电话确认，不需要发微信问“你那边那只是什么情况”，只要看到手里这一只，你就知道另一只大概率是什么。

这像极了那个熟悉又陌生的词——量子纠缠。所谓量子纠缠，是指两个或多个量子系统的整体状态无法拆分成各个单独系统状态的简单组合，只能作为一个整体来描述，因此它们的测量结果会呈现出超越经典关联的强关联。

当然，真正的量子纠缠并不是普通手套这么简单。手套的左手和右手，早就已经确定好了；但量子世界里的粒子，却要奇怪得多。它们之间的关联，不仅仅是“我不知道答案”，而是大自然本身可能并没有提前把答案写好。

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科学家会告诉你，量子纠缠是微观世界里两个粒子之间的神秘关联：无论相隔多远，对其中一个粒子进行测量，另一个粒子的测量结果都会表现出强烈关联。爱因斯坦不喜欢这东西，曾把它称为“鬼魅般的超距作用”。

但别被“粒子”“状态”这些词吓住。你手里那只手套，虽然不是量子纠缠本身，却是理解量子纠缠最好的入门道具。

量子纠缠是什么？

普通手套 vs “纠缠手套”

先看普通手套。

一副手套，左手就是左手，右手就是右手。假如把它们分装进两个盒子，寄给北京的张三和纽约的李四，打开盒子之前，谁也不知道哪个盒子里是左手。但可以确定的是，“哪个盒子是左手、哪个盒子是右手”这件事早就定好了。打开看到左手的那个盒子，里面本来就装着左手的手套。

这叫“经典关联”。平平无奇。

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现在，量子“魔法”来了。

量子纠缠里的“纠缠手套”，在打开之前，每只都不是确定的左手或右手。它处在一种“既左又右”的模糊状态，物理学家叫它“叠加态”。两只手套作为一个整体共享同一个命运：如果张三和李四用同一种方式打开盒子，它们的结果必定严格配对，但谁是哪只，没人知道。在标准量子力学的描述中，这个答案并不是提前写好、藏在盒子里的。用更物理的语言说，所谓纠缠态，就是多个粒子的整体状态不能拆成“粒子 A 的状态 × 粒子 B 的状态”这样几个单粒子状态的乘积，由此导致它只能作为一个整体来描述。

然后，张三在北京打开盒子——哗。

看到右手的那一瞬间，纽约李四手里的手套如果也用同样方式打开，就一定会看到左手。

不是张三“通知”了李四，也不是北京有什么神秘信号瞬间飞到了纽约。更准确地说，是这两只量子手套本来就不能被看成两个完全独立的小东西，它们共同组成了一个不可分割的整体。你对其中一只进行测量，得到的是这个整体状态的一部分结果；事后两人把记录拿来一比对，就会发现结果之间有一种远超普通手套的默契。

分发到两地的“纠缠手套”。图源：作者 AI 生成

为什么不能超光速通信？

因为只能“拆盲盒”

相信聪明的你已经发现，量子纠缠可以实现不限距离的超远距离信息交互。那么，是否也可以利用它进行超光速通信呢？

比如，让张三在北京，李四在纽约，约好同时打开盒子。打开之后看到左手算0，右手算1。然后用这副手套发摩斯电码，左手右手左左右，瞬间传到大洋彼岸，比光速还快，岂不美哉？

想法很美好，但物理定律不允许啊。

关键在于，纠缠虽然能让两边的结果配对，却不能让一边把“我测到了什么”直接告诉另一边。

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张三在北京打开盒子，看到左手或者右手；李四在纽约打开盒子，也看到左手或者右手。两边的结果确实会高度相关，但李四只看自己手里的结果时，看到的仍然是一串随机乱码。他不知道张三什么时候测量了，也不知道张三测到了什么，更不知道张三想不想用它传递信息。

比如，张三看到的是一串结果：左左右右右左右。李四看到的是另一串结果：右右左左左右左。事后两人把记录一对，才会发现：“原来每一步都配上了！”

问题就在这个“事后”。他们必须通过电话、网络、光纤等经典通信方式交换记录，才能知道两边结果确实相关。而经典通信最快也不能超过光速。所以，量子纠缠虽然能产生跨越空间的强关联，却不能用来超光速发消息。

说白了，纠缠像是让两个人各自拆盲盒：拆开之后，结果彼此配对；但你不能靠自己的盲盒，立刻读出对方想说什么。想告诉李四“明天吃饭”，张三还是得老老实实拿起手机打电话。

所以你看，量子纠缠没有打破光速限制。

所以，“量子纠缠”到底能干啥？

不能超光速发微信，这种“默契”还有用吗？当然有。量子纠缠虽然不能传递超光速信息，却能成为量子保密通信和量子计算的重要资源。

1.信息安全的“防拆封条”—— 量子保密通信

张三和李四那串随机配对的乱码，看似无用，其实可以变成密码钥匙。

他们各自记录测量结果，再通过公开但经过认证的经典信道筛选、纠错和隐私放大，最后保留下来的随机数，就只有两人知道。

更妙的是，这把钥匙自带“防拆封条”。一旦有人中途偷看，就会干预量子状态，并在统计结果中留下异常痕迹。张三和李四抽取一部分结果比对，如果发现误码率异常升高，就可以判断“有人动过！”，密钥随即作废。

利用“量子纠缠”原理进行“量子保密通信”。图源：作者 AI 生成

这不是单纯依靠算法加密，而是在理想模型下，由物理定律给出安全边界。从“墨子号”到“京沪干线”，再到“济南一号”等量子微纳卫星，量子保密通信正在从实验室走向真实世界。

2.算力的“分身术”——量子计算机

传统计算机处理信息，要么0，要么1。量子计算机使用的“量子比特”，却可以像那只“既左又右”的手套，同时处在0和1的叠加态中。

但量子计算机不是简单地“同时走完所有岔路”。它真正厉害的地方，是利用叠加、干涉和纠缠，让错误答案相互抵消，让正确答案逐渐增强。换句话说，量子计算不是暴力穷举，而是用量子力学重新设计“寻找答案”的方式。

近年来，中国在光量子和超导量子计算方向都取得了重要进展。“九章”“祖冲之”“本源悟空”等代表性成果，正在推动量子计算从实验验证走向工程应用。

当然，今天的量子计算机还不是无所不能的“超级电脑”。它们目前主要在特定问题上展示优势，距离大规模通用量子计算仍需跨过量子纠错、系统稳定性和芯片扩展等关口。

另一点重要的是，并不是任何两个粒子之间都有量子纠缠，实际上，量子纠缠是需要制备的。例如，在光学实验中，科学家经常利用非线性光学过程来制备纠缠光子。虽然在多个粒子之间也可以建立量子纠缠，但一般而言，粒子越多的纠缠态就越不容易制备。因此，在实验上，纠缠的制备和保存往往成为瓶颈。

结语

从信息论可证安全的保密通信，到面向特定问题的量子计算优越性，那双看不见摸不着的“量子手套”，正在从实验室走进现实世界。

它不能让你超光速发微信。但它有望让通信更安全，让计算更高效，让未来的信息技术拥有新的底层工具。

世界最底层的逻辑，可能比任何科幻故事都要奇异，也比你柜子里的手套，更“魔法”一点点。

策划制作

作者丨栾春阳中国移动通信研究院未来研究院研究员

审核丨袁岚峰中国科学技术大学副研究员 中国科学技术大学科技传播系副主任 中国科协科普研究员

策划丨何雨濛

责编丨何雨濛