探索量子力学中神秘的量子纠缠现象

量子力学中最神秘的就是叠加态，而“量子纠缠”就是多粒子的一种叠加态。以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，可以用一个量子比特来表示：

ΦA=a|0＞A+b|1＞A

（|＞为狄拉克符号，代表量子态。a和b是任意两个复数，满足关系|a|2+|b|2=1，后同）同时另一个粒子B也可以处于叠加态，即：

ΦB=a|0＞B+b|1＞B

当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，例如：

ΦAB=a|0＞A|1＞B+b|1＞A|0＞B

就是一个纠缠态：无论两个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。

用薛定谔的猫做比喻（图2-3），就是A和B两只猫如果形成上面的纠缠态：(www.xing528.com)

无论两只猫相距多远，即便在宇宙的两端，当A猫是“死”的时候，B猫必然是“活”；当A猫是“活”的时候，B猫一定是“死”（当然真实的情况是猫这种宏观物体不可能把量子纠缠维持这么长时间，几亿亿亿亿分之一秒内就会解除纠缠。但是基本粒子是可以的，比如光子）。

图2-3　用薛定谔的猫比喻纠缠态

这种跨越空间的瞬间影响双方的量子纠缠曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”（spooky action at a distance），并以此来质疑量子力学的完备性，因为这个超距作用违反了他提出的定域性原理。这就是著名的“EPR佯谬”。

但是后来一次次实验（即Bell不等式实验）都证实量子力学是对的，量子纠缠就是非定域的，因此爱因斯坦的定域性原理必须舍弃。2015年的无漏洞贝尔不等式测量实验，基本宣告了定域性原理的死刑。

最新的研究表明，微观的量子纠缠和宏观的热力学第二定律，甚至是时间之箭的起源都有着密不可分的关系。

随着量子信息学的诞生，量子纠缠已经不仅仅是一个基础研究，它已经成为量子信息科技的核心。例如，利用量子纠缠可以完成量子通信中的量子隐形传态，可以完成一次性操作多个量子比特的量子计算。让更多的粒子纠缠起来是量子信息科技不断追寻的目标。